我国铁路LED信号机现状与光度性能分析

1.我国铁路LED信号机发展现状

        我国铁路有约20万台高柱或矮型色灯信号机，这些信号机是以双灯丝白炽灯泡为光源，灯泡的寿命只有1000小时。由于LED具有众所周知的耗电少、寿命长、安全可靠的优点，一些单位98年开始进行这种新型光源在铁路信号领域的试验与研制，取得明显进展。
        总的形势是发展速度快，三年前发光强度只能做到几百cd，两年前红、绿颜色能达到2000cd以上，黄色、月白色的光强度及颜色还不能达到铁标要求，近一年来发光强度明显提高，红光、绿光已能做到5000cd以上，达到国外西门子产品的光强度水平，五种颜色经过改进也能满足现有铁道行业标准规定的颜色范围。目前至少已有八家生产或研制LED色灯信号机构，有多家进行了产品的检测，有的经过铁道部技术审查。有约一千多台LED色灯信号机在秦沈客运专线、北京局、青藏线等铁路现场投入使用，受到用户的欢迎。
       铁道部科技司于2003年组织有关单位制定了《LED铁路信号机构技术条件（暂行）》，统一了技术要求，为进一步推广打下了基础。铁道部产品质量监督检验中心通信信号检验站做了大量产品检验工作。
       不仅地面信号机，而且手信号灯、客车床头阅读灯、安全标志灯等铁路信号及照明产品上也开使用LED，LED手信号灯已在铁路现场大量应用，使产品性能明显提高，铁科院通号所今年完成适用于LED手信号灯和床头阅读灯的铁道部行业标准制定工作。

2两种信号机光度性能分析

2.1两种信号机有效光通量的估算
       现有铁路色灯信号机光学结构是由内梯菲涅尔透镜、外梯菲涅尔透镜与白炽灯泡组成，见图1。
       灯泡发出的总光束的一部分经透镜组折射后，成为近似平行光投向远方，成为有效光束，光通量为φ１，按下式计算：
 φ１＝φ×η１×τ１×τ２  （１）
式中：
        φ１——信号机的有效光通量（ｌｍ）
        φ——灯泡发出的总光通量（ｌｍ）。铁道行业标准规定铁路信号灯泡的光通量不低于２８５ｌｍ，实际产品要高于这个数值，这里按３００ｌｍ来计算。
          η１——透镜组的光利用系数。灯泡发出的总光通量只有被透镜组所包含立体角内的光刎才被利用，铁路信号透镜组对灯泡含的立体角为４．４ｓｒ，与灯泡发光总立体角料（４π减去灯头遮光部分的立体角）之比为０．３６，此值即为透镜组的光束利用率。
 τ１——颜色透镜的光透射比。铁标规定红色透镜光透射比为８％，实际可以达到１１％。
 τ２——无色透镜光透射比。铁标规定无色透镜光透射比不得低于９０％。
 将上述各系数值代入公式（１），计算出红色铁路信号机的有效光通量为：１０．７ｌｍ。
 图２是ＬＥＤ信号机光学结构图。是由多只ＬＥＤ与聚光透镜阵列组成，ＬＥＤ数量为数十只到一百多只，单元透镜直径为１３～１５ｍｍ。
 ＬＥＤ铁路信号机的有效光通量φＬＥＤ１按下式估算：
 φＬＥＤ１＝φＬＥＤ×（ｌ－αｔ）×（１－β）×τ３×τ４     （２） 
式中：
 φＬＥＤ１——ＬＥＤ信号机的有效光通量（ｌｍ）
 φＬＥＤ——ＬＥＤ发出的总光通量（ｌｍ）。单只ＬＥＤ光通量由发光强度分布曲线利用球带系数法计算，再乘以ＬＥＤ数量得出总光通量，也可以从ＬＥＤ的功率乘以光效得到，１００只红色ＬＥＤ的总光通量为２４０ｌｍ。
 αｔ——温度影响系数，ＬＥＤ光效率随温度升高而降低，不同颜色的αｔ值不相同，环境温度为５０℃条件下的红色ＬＥＤ的αｔ为０．３０。
 β——光束溢出损失系数，复旦大学教授发表在２００２年《照明工程学报》中的论文提出“光束溢出损失”概念，ＬＥＤ发出的光束有一部分射不到各自聚光透镜上，不能形成有效光束，β值取５．２５。
 τ３——无色阵列透镜的光透射比，取０．８５。
 τ４——无色保护玻璃的光透射比，取０．９。
       将上述各系数值代入公式（２），计算出红色ＬＥＤ铁路信号机的有效光通量为９６．４ｌｍ。本文提出计算方法虽然会存在误差，但从上述分析可见ＬＥＤ信号机的光效率明显高于以白炽灯为光源信号机的光效率。

2.2光强度分布曲线
       铁路信号机是远距离灯光信号，铁标对高柱和矮型信号机各种颜色的光强度要求见表１。
      铁标要求水平光束散角不小于２°１２＇，垂直散角不小于１°１０＇。实际测试光强度分布曲线见图３。
       从测试结果得到现有铁路高柱色灯信号机红色光强度为２６７ｌｄ，水平散角为２．６°，红色ＬＥＤ信号机的光强度为５ｌ７０ｃｄ，散角为４．２＇。ＬＥＤ信号机不但光强度大于现有白炽灯泡为光源信号机的光强度，而且显示范围较宽，有利于坡道区段观察信号，总的光性能优越。

2.3灯光颜色
         白炽灯泡是连续光谱，通过有色透镜发出颜色光也是连续光谱。ＬＥＤ的光谱线较窄，颜色较纯，特别是红、绿、蓝色，颜色鲜艳，有利于辨认信号。但是选择黄色或白色ＬＥＤ时需要注意，黄色不能偏红；白色不能偏蓝，否则会与红色或蓝色相混洧，超出铁标要求颜色范围。

3推广LED铁路信号机的几点建议

       虽然ＬＥＤ信号灯具有上述优点，但是在铁路上推广的速度还是较慢，在此提出影响ＬＥＤ信号机推广的原因和建议：
       ３．ｌ铁路运输生产以安全为前提，特别是指挥列车运行的色灯信号机必须十分安全可靠，每个部件包括信号灯泡、透镜、继电器等均按铁道部行业标准生产，不能随意改变。比如现有信号机点灯电路中使用ＪＺＸＣ－Ｈ１８型灯丝监督继电器，其工作电流为１００ｍＡ，释放电流为４０ｍＡ，用ＬＥＤ替代灯泡后电流减少，继电器无法吸起，须要对继电器进行改造。这些变化须经过大量试验验证后才能投入使用。
       ３．２ ＬＥＤ是新光源，性能受环境条件、生产工艺、材料质量和电路设计影响较大，各厂家生产的ＬＥＤ信号机均不相同，ＬＥＤ的选择、电路、电源各不相同，难于互换，出现故障时不易在现场排除。长期使用后颜色漂移也会漂移，应不断积累ＬＥＤ信号机长期使用中出  现的问题并加以解决。
       ３．３ＬＥＤ寿命是１０万小时，用户更关心的是整个系统的使用寿命，相关的元件也应做到长寿命、少维护。
      ３．４目前铁路ＬＥＤ信号机的价格偏高，一台高柱三显示ＬＥＤ信号机价格为一万多元，有的是一万七千元，而现有信号机只有三千元左右，相差悬殊，用户很难接受。随着技术的飞速发展，有理由相信ＬＥＤ的质量和性能会不断提高，价格会很快下降。
       我们将继续与照明领域的同行密切合作，使ＬＥＤ新光源在铁路信号上发挥它应有的作用，为２００７年在北京召开第２６届ＣＩＥ大会做贡献。