無錫地鐵1號線車輛前照燈故障分析與優化

周茂慶

（無錫地鐵集團有限公司運營分公司，江蘇無錫 214131）

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無錫地鐵1號線車輛前照燈故障分析與優化

周茂慶

（無錫地鐵集團有限公司運營分公司，江蘇無錫 214131）

摘 要：無錫地鐵1號線自開通試運營以來，車輛前照燈故障頻發，給車輛運用和檢修造成了諸多不利影響，通過綜合分析其故障原因及結構特點，提出了對前照燈光源進行優化改造的解決方案，并通過裝車試驗驗證了該方案的可行性和有效性。

關鍵詞：地鐵車輛；前照燈；故障分析；改造

0　概述

無錫地鐵 1號線車輛外部照明前照燈由左、右遠光燈和左、右近光燈 4 盞獨立的燈具構成，其組成及安裝位置如圖 1 所示。左、右遠光燈除燈罩外其結構完全相同；左、右近光燈除燈罩外其結構也完全相同，且其含近光（氙燈光源）及紅、白標志燈（紅、白 LED 光源）的功能。

遠、近光燈燈具均通過車體適配法蘭以膠接的方式安裝在司機室頭罩左右兩側的燈倉內；燈體組件、反光杯、透光罩等則通過法蘭或安裝板用螺釘緊固在適配法蘭上。1號線車輛遠、近光燈均采用目前較為先進和普遍使用的氙燈光源，其主要技術參數如表 1 所示。它主要是利用高壓的正負電刺激燈泡中的氙氣與稀有金屬發生化學反應進而發光，與傳統的鹵素燈相比，具有功率小、亮度高、色溫性好的優點。

1　前照燈主要故障及原因分析

1.1近光燈燈泡不亮

1號線車輛自開通試運營以來，前照燈頻繁發生近光燈不亮或光線變為紅色光束故障，根據運營故障數據統計顯示，一年來共累計更換近光燈氙燈光源 26 個，故障率高達 28.3%，給車輛運用和檢修造成了很大影響。

圖1　前照燈組成及安裝位置圖

表1　前照燈主要技術參數

雖然近光燈燈泡屬于易耗件，但根據供貨商提供的技術資料說明，近光燈氙燈燈泡的平均壽命不小于 2500h，結合無錫地鐵1號線列車平均旅行速度為 34.7km/h，可以折算出在氙燈燈泡的壽命周期內，車輛平均走行公里不小于 173500km。按每列車平均每天上線運行 17h、檢修平均停時不超過 1h 計算，車輛實際平均走行公里應不小于 163294km。然而根據運營故障數據統計顯示，有 84.6% 的故障發生在平均壽命周期以內，即氙燈燈泡實際使用壽命低于理論平均壽命，屬于非正常損耗。

技術人員分析近光燈構造發現：由于近光燈安裝在一個空間較為密閉的燈倉內，導致熱量集聚無法發散，進而縮短了氙燈燈泡的使用壽命。此外，根據氙氣燈發光原理，啟動過程中安定器將 24V 的直流電壓瞬間增至 23000V 電壓，經過高壓震幅激發石英管內的疝氣電子游離，在兩電極之間產生的白色超強電弧光，加之長時間正線運行時產生的振動引起石英管密封性變差，造成氙氣泄漏空氣混入，極易造成石英管內重金屬氧化而失效。

1.2近光燈照射角度調節失效

根據 TB/T 2325.1-2006《機車、動車組前照燈、輔助照明燈和標志燈技術條件 第 1 部分：前照燈》中第6.9.2 項要求，前照燈的可調部位應靈活，便于調整照射方向和焦距：在工作狀態下，其主光軸應該下俯 1°～1.5°，不應仰起，以免光束脫離軌道。然而 1號線車輛自運營以來，司機多次反映遠、近光燈照射角度偏離，無法看清正線軌面，給司機瞭望造成了很大困擾，影響了行車安全。

1號線遠、近光燈燈體均通過安裝法蘭與車體適配法蘭安裝，按照設計要求，燈具安裝后應保證安裝法蘭與地面的垂直度，從而確保主光軸在初始位置沿水平方向照射。同時，為了消除車體及安裝的微小誤差，遠光燈設計了彈簧調節機構，通過該機構可進行燈光俯仰角的微調（調節角度為±5°）；近光燈因空間限制，沒有空間增加彈簧調節機構，但可通過在反光杯的3 個安裝點上增加墊片進行俯仰角的微調（調節角度為±5°）。

技術人員通過現場調節發現，遠光燈通過調節其彈簧機構，主光軸均達到了鐵標要求的范圍；而部分車輛近光燈當調節反光杯到極限位置時，仍不能將主光軸照射角度調整到標準范圍，說明車體及安裝誤差已超過其調節裕量。進一步檢查研究發現，出現該問題的主要原因是車體適配法蘭安裝傾斜，嚴重的大約有 10°左右，遠遠超出了設計允許的微調裕量，導致近光燈照射角度調節失效。

1.3近光燈燈罩發黃灼裂

1號線運營一段時期后，即發現車輛近光燈燈罩泛黃故障呈不斷上升趨勢，由于備件更換需要一定的周期，一些未及時更換的發黃燈罩表面甚至出現了灼傷開裂的現象。通過研究分析發現，該故障主要由以下 2 個因素造成。

（1）1號線車輛前照燈燈罩材質為 PC 材質，PC 是分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，高分子聚合物的老化降解會引起發黃，通常 PC 材質老化降解的主要因素是受到了強紫外線照射和高溫的影響。這是因為紫外線照射會激發產生自由基，而自由基又會破壞高分子鏈，高分子聚合物因分子結構衰減從而老化發黃；而 PC 材質在 40～80 ℃的環境中，隨著溫度的升高，高分子鏈會開始運動，引起構象重排，出現降解反應，導致老化發黃。

（2）前照燈采用氙氣燈光源，而氙氣燈光譜中恰好包含了強紫外線和強紅外線，具有很強的連續紫外輻射和近紅外線輻射，如圖 2 所示。并且近光燈氙燈光源距燈罩距離較近，紅外線輻射產生的熱量使氙燈中心溫度＞200 ℃，燈倉溫度在 60～90 ℃，長期受強紫外線照射及高溫環境的影響，使得PC燈罩逐漸老化變黃。即使在燈罩材質中增加抗老化劑，也只能延緩發黃時間，而不能完全解決發黃問題。

圖2　氙氣燈的光譜分布曲線

2　優化方案研究及試驗

2.1優化方案研究分析

（1）針對近光燈燈泡不亮的問題，通過較為充分調查后發現，目前市場上品牌位列靠前的如飛利浦、歐司朗等氙燈燈泡平均壽命周期也是 2000～3000h，并且普遍出現在壽命周期內失效的現象。當前市場優先推廣 LED 光源，能夠顯著提高近光燈的使用壽命。

（2）針對近光燈照射角度調節失效的問題，由于車體適配法蘭與司機室頭罩燈倉膠接為一體，使其拆卸矯正非常困難；但如果采用 LED 光源，則可以使光束更加發散，使照射范圍更廣，從而彌補了燈光無法照射到軌道上的不足。

（3）針對近光燈燈罩發黃灼裂的問題，最有效的辦法是將 PC 材質改為玻璃材質，或者用 LED 光源替代氙燈光源。但是，鑒于無錫地鐵 1號線前照燈的獨特結構，玻璃材質的燈罩加工難度較大，并且制作成本較高。

綜上所述，為了能夠完全解決上述3個問題，同時綜合考慮解決方案的可操作性、經濟性等，通過研究分析對比，決定采用 LED 光源替代近光燈氙燈光源的優化方案。

2.2LED光源設計優化及試驗

2.2.1大功率LED光源方案

由于 LED 光源的封裝形式沒有統一的標準，不同的廠家封裝是不同的，而不同的 LED 封裝會使得 LED 的出光也不同，導致光能在空間的分布也不同，因此，針對不同廠家的 LED，反光杯的設計是不同的。為了盡可能減少對近光燈原有結構及接口的改動，在延用原有反光杯設計結構的前提下，最初采用了 CREE 2HLH7W 型號的 LED 光源，并設計與之匹配的電源驅動器，這樣只需更換氙燈燈泡和安定器即可。

雖然 LED 燈光源屬于冷光源，發光光譜中不包含紅外線和紫外線，因此，不會像氙燈那樣發光中出現大量熱能，但大功率 LED 燈本身需要散熱，考慮到近光燈燈倉密閉的環境以及空間結構的限制，需在 LED 光源尾部安裝風扇進行強制散熱。同時，對電源進行了自動降功率設計，即使風扇出現故障，驅動器的保護設計也能夠迅速降低功率，降低發熱量，從而有效保障 LED 燈不會因為自身發熱而失效，保證燈具能夠正常使用。

該方案經照度、溫升測試合格后，在 1號線試裝 4列車進行靜態試驗和動態試驗，但效果并不理想。在 3個月的考核驗證期內，LED 光源近光燈陸續發生燈光閃爍及死燈故障，失效率高達 75%。究其原因，根本問題還是由于燈倉空間狹小且密閉，燈倉尾部沒有通風口，空氣不流通，導致 LED 燈具驅動電源及 LED 光源產生的熱量聚集在燈倉內無法排出，累積的熱量致使驅動電源進入保護狀態，造成燈光閃爍。而 LED 光源和驅動電源長時間在這種惡劣的環境中工作，性能受到影響，引發燈光閃爍及死燈故障。

2.2.2透鏡LED光源方案

鑒于近光燈燈倉的密閉結構很難改變，考慮通過降低驅動電源功率來降低熱平衡溫度點，從而保證 LED 光源和驅動電源不受高溫影響發生故障。但是 LED 光源的功率降低，必然會導致光通量減少，照度變小。因此，只有通過更改 LED 光源類型及其封裝形式，采用透鏡匹配 LED 燈珠的光學設計，保證電源功率降低的同時滿足近光光強要求。由于透鏡 LED 光源燈光聚焦，照度提高，但照射面積小，為了補償車體適配法蘭安裝偏差，保證照射角度符合標準范圍，采用 LED 光源匹配偏光透鏡的方案，并設計與之匹配的電源驅動器。

由于 LED 不同于其他器件，溫度的變化會影響其各種性能，溫度過高，光衰減嚴重，并且使用壽命也會縮短。為了進一步降低 LED 燈珠表面的熱量，必須考慮安裝散熱裝置。由于新方案光源結構及安裝方式改變，并且不需要反光杯，使近光燈尾部空間加大，為散熱裝置的安裝提供了足夠空間。目前，一般 LED 燈具散熱分為被動式和主動式 2 種，綜合考慮成本和穩定性等因素，在新方案 LED 光源板和電源之間安裝了 1 個鋁材翅片式散熱器進行散熱，并用導熱硅膠黏結為一個整體。

該方案經照度、溫升測試合格后，在 1號線試裝1 列車進行靜態試驗和動態試驗，經過 6 個月的考核驗證，各項性能指標均滿足使用要求，解決了近光燈存在的主要問題，證明該方案是可行的、有效的，其優化改進前后近光燈主要參數對比如表 2 所示。

表2　氙氣燈與 LED 燈主要參數對比

3　成果及效益

綜上所述，通過不斷優化改進和試驗驗證，最終確定了透鏡 LED 光源的優化改造方案，并且完成了 1號線所有列車近光燈光源的優化改造。經過 1 年多的運營觀察，車輛運用狀態良好，不僅極大地降低了 1號線車輛外部照明近光燈的故障率，提升了車輛服務品質；而且提高了近光燈光源的使用壽命周期近 12 倍，減少了車輛運營維護成本。同時，由于 LED 光源近光燈的功率不到氙燈光源的 1/3，還具有節能降耗的作用。目前，正在研究開展遠光燈的透鏡 LED 光源優化改造工作。

4　結束語

無錫地鐵1號線車輛近光燈 LED 光源的優化改造，不僅成功解決了因產品結構設計、選型選材以及安裝等因素造成的一系列問題，而且為遠光燈的改造提供了數據支撐和工程經驗，同時也對燈具安裝空間結構及散熱設計提出了新的要求。目前，雖然地鐵車輛前照燈仍普遍使用氙燈光源，但是隨著 LED 技術的不斷升級和更新換代，以及在新線項目和舊線改造中的廣泛推廣運用，未來必將以其巨大的優勢取代氙燈光源成為前照燈主流產品。

參考文獻

[1] 王剛，陳文海. 廣州地鐵三號線北延段列車頭燈故障分析與改造[J]. 軌道交通裝備與技術，2014（3）：26-27.

[2] 馬永波，彭述明，龍興貴，等. 影響高功率脈沖氙燈壽命的因素[J]. 強激光與粒子束，2010，22（10）：2483-2486.

[3] 廖國強，馬連仲，顏寧. 電力機車前照燈失效分析及優化設計[J]. 技術與市場，2013，20（7）：1-2.

[4] 陳大華. 氙燈的技術特性及其應用[J]. 光源與照明，2002（4）：18-20.

[5] TB/T 2325.1-2006 機車、動車組前照燈、輔助照明燈和標志燈技術條件 第1部分：前照燈[S].

責任編輯 冒一平

Fault Analysis and Optimization of Train Headlight on Wuxi Metro Line 1

Zhou Maoqing

Abstract:Since the opening and trial operation of Wuxi metro line 1, train headlight lamp failures occur frequently, causing many adverse effects on the vehicle use and maintenance. Some solutions to optimize the headlamp light source are proposed through the comprehensive analysis of the failure causes and structural characteristics. Through the prototype test, it verifi es the feasibility and effectiveness of the scheme.

Keywords:metro vehicle, headlight, fault analysis, modifi cation

中圖分類號：U260.4+1

作者簡介：周茂慶（1974—），男，工程師

收稿日期2016-04-01