无锡地铁1号线车辆前照灯故障分析与优化

周茂庆

（无锡地铁集团有限公司运营分公司，江苏无锡 214131）



无锡地铁1号线车辆前照灯故障分析与优化

周茂庆

（无锡地铁集团有限公司运营分公司，江苏无锡 214131）

摘 要：无锡地铁1号线自开通试运营以来，车辆前照灯故障频发，给车辆运用和检修造成了诸多不利影响，通过综合分析其故障原因及结构特点，提出了对前照灯光源进行优化改造的解决方案，并通过装车试验验证了该方案的可行性和有效性。

关键词：地铁车辆；前照灯；故障分析；改造

0　概述

无锡地铁 1号线车辆外部照明前照灯由左、右远光灯和左、右近光灯 4 盏独立的灯具构成，其组成及安装位置如图 1 所示。左、右远光灯除灯罩外其结构完全相同；左、右近光灯除灯罩外其结构也完全相同，且其含近光（氙灯光源）及红、白标志灯（红、白 LED 光源）的功能。

远、近光灯灯具均通过车体适配法兰以胶接的方式安装在司机室头罩左右两侧的灯仓内；灯体组件、反光杯、透光罩等则通过法兰或安装板用螺钉紧固在适配法兰上。1号线车辆远、近光灯均采用目前较为先进和普遍使用的氙灯光源，其主要技术参数如表 1 所示。它主要是利用高压的正负电刺激灯泡中的氙气与稀有金属发生化学反应进而发光，与传统的卤素灯相比，具有功率小、亮度高、色温性好的优点。

1　前照灯主要故障及原因分析

1.1近光灯灯泡不亮

1号线车辆自开通试运营以来，前照灯频繁发生近光灯不亮或光线变为红色光束故障，根据运营故障数据统计显示，一年来共累计更换近光灯氙灯光源 26 个，故障率高达 28.3%，给车辆运用和检修造成了很大影响。

图1　前照灯组成及安装位置图

表1　前照灯主要技术参数

虽然近光灯灯泡属于易耗件，但根据供货商提供的技术资料说明，近光灯氙灯灯泡的平均寿命不小于 2500h，结合无锡地铁1号线列车平均旅行速度为 34.7km/h，可以折算出在氙灯灯泡的寿命周期内，车辆平均走行公里不小于 173500km。按每列车平均每天上线运行 17h、检修平均停时不超过 1h 计算，车辆实际平均走行公里应不小于 163294km。然而根据运营故障数据统计显示，有 84.6% 的故障发生在平均寿命周期以内，即氙灯灯泡实际使用寿命低于理论平均寿命，属于非正常损耗。

技术人员分析近光灯构造发现：由于近光灯安装在一个空间较为密闭的灯仓内，导致热量集聚无法发散，进而缩短了氙灯灯泡的使用寿命。此外，根据氙气灯发光原理，启动过程中安定器将 24V 的直流电压瞬间增至 23000V 电压，经过高压震幅激发石英管内的疝气电子游离，在两电极之间产生的白色超强电弧光，加之长时间正线运行时产生的振动引起石英管密封性变差，造成氙气泄漏空气混入，极易造成石英管内重金属氧化而失效。

1.2近光灯照射角度调节失效

根据 TB/T 2325.1-2006《机车、动车组前照灯、辅助照明灯和标志灯技术条件 第 1 部分：前照灯》中第6.9.2 项要求，前照灯的可调部位应灵活，便于调整照射方向和焦距：在工作状态下，其主光轴应该下俯 1°～1.5°，不应仰起，以免光束脱离轨道。然而 1号线车辆自运营以来，司机多次反映远、近光灯照射角度偏离，无法看清正线轨面，给司机瞭望造成了很大困扰，影响了行车安全。

1号线远、近光灯灯体均通过安装法兰与车体适配法兰安装，按照设计要求，灯具安装后应保证安装法兰与地面的垂直度，从而确保主光轴在初始位置沿水平方向照射。同时，为了消除车体及安装的微小误差，远光灯设计了弹簧调节机构，通过该机构可进行灯光俯仰角的微调（调节角度为±5°）；近光灯因空间限制，没有空间增加弹簧调节机构，但可通过在反光杯的3 个安装点上增加垫片进行俯仰角的微调（调节角度为±5°）。

技术人员通过现场调节发现，远光灯通过调节其弹簧机构，主光轴均达到了铁标要求的范围；而部分车辆近光灯当调节反光杯到极限位置时，仍不能将主光轴照射角度调整到标准范围，说明车体及安装误差已超过其调节裕量。进一步检查研究发现，出现该问题的主要原因是车体适配法兰安装倾斜，严重的大约有 10°左右，远远超出了设计允许的微调裕量，导致近光灯照射角度调节失效。

1.3近光灯灯罩发黄灼裂

1号线运营一段时期后，即发现车辆近光灯灯罩泛黄故障呈不断上升趋势，由于备件更换需要一定的周期，一些未及时更换的发黄灯罩表面甚至出现了灼伤开裂的现象。通过研究分析发现，该故障主要由以下 2 个因素造成。

（1）1号线车辆前照灯灯罩材质为 PC 材质，PC 是分子链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会引起发黄，通常 PC 材质老化降解的主要因素是受到了强紫外线照射和高温的影响。这是因为紫外线照射会激发产生自由基，而自由基又会破坏高分子链，高分子聚合物因分子结构衰减从而老化发黄；而 PC 材质在 40～80 ℃的环境中，随着温度的升高，高分子链会开始运动，引起构象重排，出现降解反应，导致老化发黄。

（2）前照灯采用氙气灯光源，而氙气灯光谱中恰好包含了强紫外线和强红外线，具有很强的连续紫外辐射和近红外线辐射，如图 2 所示。并且近光灯氙灯光源距灯罩距离较近，红外线辐射产生的热量使氙灯中心温度＞200 ℃，灯仓温度在 60～90 ℃，长期受强紫外线照射及高温环境的影响，使得PC灯罩逐渐老化变黄。即使在灯罩材质中增加抗老化剂，也只能延缓发黄时间，而不能完全解决发黄问题。

图2　氙气灯的光谱分布曲线

2　优化方案研究及试验

2.1优化方案研究分析

（1）针对近光灯灯泡不亮的问题，通过较为充分调查后发现，目前市场上品牌位列靠前的如飞利浦、欧司朗等氙灯灯泡平均寿命周期也是 2000～3000h，并且普遍出现在寿命周期内失效的现象。当前市场优先推广 LED 光源，能够显著提高近光灯的使用寿命。

（2）针对近光灯照射角度调节失效的问题，由于车体适配法兰与司机室头罩灯仓胶接为一体，使其拆卸矫正非常困难；但如果采用 LED 光源，则可以使光束更加发散，使照射范围更广，从而弥补了灯光无法照射到轨道上的不足。

（3）针对近光灯灯罩发黄灼裂的问题，最有效的办法是将 PC 材质改为玻璃材质，或者用 LED 光源替代氙灯光源。但是，鉴于无锡地铁 1号线前照灯的独特结构，玻璃材质的灯罩加工难度较大，并且制作成本较高。

综上所述，为了能够完全解决上述3个问题，同时综合考虑解决方案的可操作性、经济性等，通过研究分析对比，决定采用 LED 光源替代近光灯氙灯光源的优化方案。

2.2LED光源设计优化及试验

2.2.1大功率LED光源方案

由于 LED 光源的封装形式没有统一的标准，不同的厂家封装是不同的，而不同的 LED 封装会使得 LED 的出光也不同，导致光能在空间的分布也不同，因此，针对不同厂家的 LED，反光杯的设计是不同的。为了尽可能减少对近光灯原有结构及接口的改动，在延用原有反光杯设计结构的前提下，最初采用了 CREE 2HLH7W 型号的 LED 光源，并设计与之匹配的电源驱动器，这样只需更换氙灯灯泡和安定器即可。

虽然 LED 灯光源属于冷光源，发光光谱中不包含红外线和紫外线，因此，不会像氙灯那样发光中出现大量热能，但大功率 LED 灯本身需要散热，考虑到近光灯灯仓密闭的环境以及空间结构的限制，需在 LED 光源尾部安装风扇进行强制散热。同时，对电源进行了自动降功率设计，即使风扇出现故障，驱动器的保护设计也能够迅速降低功率，降低发热量，从而有效保障 LED 灯不会因为自身发热而失效，保证灯具能够正常使用。

该方案经照度、温升测试合格后，在 1号线试装 4列车进行静态试验和动态试验，但效果并不理想。在 3个月的考核验证期内，LED 光源近光灯陆续发生灯光闪烁及死灯故障，失效率高达 75%。究其原因，根本问题还是由于灯仓空间狭小且密闭，灯仓尾部没有通风口，空气不流通，导致 LED 灯具驱动电源及 LED 光源产生的热量聚集在灯仓内无法排出，累积的热量致使驱动电源进入保护状态，造成灯光闪烁。而 LED 光源和驱动电源长时间在这种恶劣的环境中工作，性能受到影响，引发灯光闪烁及死灯故障。

2.2.2透镜LED光源方案

鉴于近光灯灯仓的密闭结构很难改变，考虑通过降低驱动电源功率来降低热平衡温度点，从而保证 LED 光源和驱动电源不受高温影响发生故障。但是 LED 光源的功率降低，必然会导致光通量减少，照度变小。因此，只有通过更改 LED 光源类型及其封装形式，采用透镜匹配 LED 灯珠的光学设计，保证电源功率降低的同时满足近光光强要求。由于透镜 LED 光源灯光聚焦，照度提高，但照射面积小，为了补偿车体适配法兰安装偏差，保证照射角度符合标准范围，采用 LED 光源匹配偏光透镜的方案，并设计与之匹配的电源驱动器。

由于 LED 不同于其他器件，温度的变化会影响其各种性能，温度过高，光衰减严重，并且使用寿命也会缩短。为了进一步降低 LED 灯珠表面的热量，必须考虑安装散热装置。由于新方案光源结构及安装方式改变，并且不需要反光杯，使近光灯尾部空间加大，为散热装置的安装提供了足够空间。目前，一般 LED 灯具散热分为被动式和主动式 2 种，综合考虑成本和稳定性等因素，在新方案 LED 光源板和电源之间安装了 1 个铝材翅片式散热器进行散热，并用导热硅胶黏结为一个整体。

该方案经照度、温升测试合格后，在 1号线试装1 列车进行静态试验和动态试验，经过 6 个月的考核验证，各项性能指标均满足使用要求，解决了近光灯存在的主要问题，证明该方案是可行的、有效的，其优化改进前后近光灯主要参数对比如表 2 所示。

表2　氙气灯与 LED 灯主要参数对比

3　成果及效益

综上所述，通过不断优化改进和试验验证，最终确定了透镜 LED 光源的优化改造方案，并且完成了 1号线所有列车近光灯光源的优化改造。经过 1 年多的运营观察，车辆运用状态良好，不仅极大地降低了 1号线车辆外部照明近光灯的故障率，提升了车辆服务品质；而且提高了近光灯光源的使用寿命周期近 12 倍，减少了车辆运营维护成本。同时，由于 LED 光源近光灯的功率不到氙灯光源的 1/3，还具有节能降耗的作用。目前，正在研究开展远光灯的透镜 LED 光源优化改造工作。

4　结束语

无锡地铁1号线车辆近光灯 LED 光源的优化改造，不仅成功解决了因产品结构设计、选型选材以及安装等因素造成的一系列问题，而且为远光灯的改造提供了数据支撑和工程经验，同时也对灯具安装空间结构及散热设计提出了新的要求。目前，虽然地铁车辆前照灯仍普遍使用氙灯光源，但是随着 LED 技术的不断升级和更新换代，以及在新线项目和旧线改造中的广泛推广运用，未来必将以其巨大的优势取代氙灯光源成为前照灯主流产品。

参考文献

[1] 王刚，陈文海. 广州地铁三号线北延段列车头灯故障分析与改造[J]. 轨道交通装备与技术，2014（3）：26-27.

[2] 马永波，彭述明，龙兴贵，等. 影响高功率脉冲氙灯寿命的因素[J]. 强激光与粒子束，2010，22（10）：2483-2486.

[3] 廖国强，马连仲，颜宁. 电力机车前照灯失效分析及优化设计[J]. 技术与市场，2013，20（7）：1-2.

[4] 陈大华. 氙灯的技术特性及其应用[J]. 光源与照明，2002（4）：18-20.

[5] TB/T 2325.1-2006 机车、动车组前照灯、辅助照明灯和标志灯技术条件 第1部分：前照灯[S].

责任编辑 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

中图分类号：U260.4+1

作者简介：周茂庆（1974—），男，工程师

收稿日期2016-04-01