鐵路色燈信號機燈泡的分析與設計★

汪 鴻，張治國

（西安交通工程學院，陜西 西安 710300）

1 透鏡式色燈信號機

鐵路線上設置有大量色燈信號機構，透鏡式色燈信號機機構如圖1 所示，由燈泡、燈座、內透鏡、外透鏡和遮檐等組成。

接車、發車或調車等指令，均靠信號機光源的不同顏色傳達。色燈信號機構作為重要的信號裝備，其傳遞的信號與鐵路運輸的安全性與高效性息息相關。色燈信號機具有安全穩定、不易受外界環境干擾、不受夜間影響、辨識度高、方便行車工作人員辨認、利于維護等，優點顯著。

20 世紀60 年代大部分采用單燈信號機，由于燈泡僅設置一根燈絲，當故障斷絲時沒有備用光源，滅燈現象對行車安全造成隱患。20 世紀70 年代，針對單絲斷裂現象，我國的信號光學專業成功研制擁有雙燈絲的燈泡，推廣到整個路段使用。“單燈雙絲”成為鐵路信號燈泡的基本結構和普遍形式，即使技術不斷創新改進，依舊保持這個基本結構和信號發光形式。20 世紀90 年代，信號光學專業總結前期研究成果，改善燈泡結構，采用聚焦式的雙絲結構，結合定焦盤式燈座使用，不僅提升了信號燈泡更換時的便捷性，而且極大增加了信號顯示的可靠性[1]。

2 透鏡式信號機燈泡缺點

信號燈泡映現并傳達的信息指導機車行駛，它是保障信號穩定顯示、保證列車安全運行的重要因素，隨著鐵路運行密度不斷加大，行車速度不斷提升，越來越重視燈泡的品質。白熾燈泡（TX12-25/12-25）、鹵鎢直柱型燈泡（LTX12-25/12-25），此兩種是我們國家前后大量使用的信號燈泡。

TX12-25/12-25 型直絲燈泡（T 指鐵路X 指信號，12-25/12-25 指雙絲燈泡且主副絲均為12 V 25 W）。主副燈絲互相平行且均為直絲，同時為保障安全，防止主絲斷裂砸到副絲，導致副絲無法正常點亮，下方設置為主燈絲，其軸心線垂直于燈泡中心線；上方設置的為副燈絲，主副絲垂直間隔約3 mm。為保障主絲點亮發出的光不被遮擋，主燈絲設置在副燈絲的前面，兩者相距3 mm 左右。

LTX12-25/12-25 鹵素直柱型燈泡是在發現鹵鎢循環原理后被制造出的。為光源市場注入新的生命力，它體積小便于安裝，且光效、壽命等性能均比白熾燈優越。鹵鎢直柱型燈泡已經基本取代了白熾燈泡。一般的白熾燈，發光效率與鎢絲溫度成正比關系，燈絲工作環境溫度非常高，但過高溫度會導致鎢的蒸發，玻殼也因沉淀下來的鎢逐漸發黑。20 世紀60 年代發明了鹵鎢燈，鹵族元素填充于白熾燈內，用鹵鎢循環原理解決燈泡發黑問題。鹵鎢燈是改進后的白熾燈，其泡殼內填充氣體加有一定量的鹵族元素。

鹵鎢循環指燈絲在高溫下蒸發出鎢原子，并在遠離燈絲的外圍同鹵鎢發生化學反應，其產生的鹵鎢化合物具備揮發特性。氣態化合物四處分散，又在燈絲周邊分解成鎢與鹵素，即鎢重新回至燈絲、鹵素反復此化學反應。下頁圖2 為鹵鎢循環縱切面示意圖。

主燈絲工作期間高溫使部分鎢原子蒸發，由于副絲與主絲距離太近（3 mm），一部分鎢原子沉積到副絲表面，并隨著工作時長越來越多（正常情況副絲不點亮，不參與鹵鎢循環）。副燈絲各線圈之間沉積的鎢原子導致螺距逐漸變窄，螺距的破壞程度與主燈絲工作時間成正比。

鐵路行車安全需要，需嚴格按照“故障導向安全”原則：主燈絲為主要工作燈絲，副燈絲用作備份，當主燈絲故障斷絲時，將會被外部檢測系統發現并自動為副燈絲供電，同時接通報警電路，提示維護人員更換此燈泡。

傳統的雙燈絲白熾燈光源，它特有的發光原理和結構特征，使其存在一些不可避免的缺點。如燈絲機械強度不夠，工作時間不長、發光效率不高等。它的缺點決定著使用白熾燈有很大的維修工作量，我國鐵道里程增多、覆蓋更多偏遠地區，增加了在信號維護方面的難度和財政支出，同時不利于安全行車[2]。

全面分析鹵鎢燈的工作機理、材料以及設計等方面，發現它也存在一些缺點。鹵鎢燈泡在一定溫度下產生的鹵鎢循環，由于泡內空間較大、構造相對繁復，無法避免鎢分子的積淀，影響光源亮度和燈絲耐沖擊性能以及壽命；其次副燈絲受影響的程度與主燈工作時長成正比，當主絲斷裂，無法保證備用燈絲能正常工作；燈絲為雙螺旋繞絲，微觀構造更加精細復雜，增加了故障發生幾率。

綜上，鹵鎢燈泡在使用過程中，容易發生雙斷絲，無法保障信號燈的可靠性以及鐵路行車安全性。

作為色燈信號機的關鍵光源，鐵路信號燈泡始終保持單燈雙絲結構，燈泡的質量及性能嚴重影響著鐵路運輸的安全。單燈雙絲結構，即主絲與副絲共用同一個燈室。信號機正常工作期間通電的是主絲，當主絲發生故障，副絲立即代替其工作，此過程由點燈單元完成。依照鐵路應用現場反饋的情況，燈泡主副絲均斷裂的幾率達1/1000，若全路一年采用60 萬只鐵路燈泡，則會發生600 起左右雙斷故障，為鐵路行車安全帶來隱患。

3 透鏡式信號機燈泡雙燈一體化設計

創新設計的雙燈一體化燈泡，如圖3 和4 所示。主副燈絲置于同一玻璃罩內，但處于密閉、高壓、互相獨立的氣體燈室。兩個燈室間用玻璃板隔開，然后通過金屬卡具固定。工作期間燈絲與周圍氣體不發生物理或化學反應，副燈絲不會被主燈絲工作期間的干擾；兩燈室裝置于同一個定焦盤燈頭上。同時給每個燈室沒充入稀有氣體氪。氪氣性能優越，它不與泡內任何組建發生理化反應，減緩鎢原子蒸發；絕緣能力強，不易被擊穿等，有效增加燈泡使用壽命。

傳統信號燈泡結構圖5 所示，主副燈絲共用一個燈室，“雙斷”故障時有發生，對鐵路運輸的安全及效率產生很大影響。為了改善這一弊端，對燈泡進行改進和創新設計。

選用小玻殼，通過陶瓷基體完成一體化雙燈設計，主副燈泡工作環境獨立；提升燈絲的高溫性能，同時調整燈絲結構設置；改善泡內填充氣體及循環劑、改進制作工藝；保持燈泡直柱型結構且不改造現有定焦盤，方便調整垂直度以及燈絲高度，實現兼容通用。滿足鐵路標準的同時，克服現有燈泡避端，提升各方面性能。燈絲的耐沖擊性能、使用壽命、照明距離、發光效率、安全性可靠性等都得到有效改善。