铁路色灯信号机灯泡的分析与设计★

汪 鸿，张治国

（西安交通工程学院，陕西 西安 710300）

1 透镜式色灯信号机

铁路线上设置有大量色灯信号机构，透镜式色灯信号机机构如图1 所示，由灯泡、灯座、内透镜、外透镜和遮檐等组成。

接车、发车或调车等指令，均靠信号机光源的不同颜色传达。色灯信号机构作为重要的信号装备，其传递的信号与铁路运输的安全性与高效性息息相关。色灯信号机具有安全稳定、不易受外界环境干扰、不受夜间影响、辨识度高、方便行车工作人员辨认、利于维护等，优点显著。

20 世纪60 年代大部分采用单灯信号机，由于灯泡仅设置一根灯丝，当故障断丝时没有备用光源，灭灯现象对行车安全造成隐患。20 世纪70 年代，针对单丝断裂现象，我国的信号光学专业成功研制拥有双灯丝的灯泡，推广到整个路段使用。“单灯双丝”成为铁路信号灯泡的基本结构和普遍形式，即使技术不断创新改进，依旧保持这个基本结构和信号发光形式。20 世纪90 年代，信号光学专业总结前期研究成果，改善灯泡结构，采用聚焦式的双丝结构，结合定焦盘式灯座使用，不仅提升了信号灯泡更换时的便捷性，而且极大增加了信号显示的可靠性[1]。

2 透镜式信号机灯泡缺点

信号灯泡映现并传达的信息指导机车行驶，它是保障信号稳定显示、保证列车安全运行的重要因素，随着铁路运行密度不断加大，行车速度不断提升，越来越重视灯泡的品质。白炽灯泡（TX12-25/12-25）、卤钨直柱型灯泡（LTX12-25/12-25），此两种是我们国家前后大量使用的信号灯泡。

TX12-25/12-25 型直丝灯泡（T 指铁路X 指信号，12-25/12-25 指双丝灯泡且主副丝均为12 V 25 W）。主副灯丝互相平行且均为直丝，同时为保障安全，防止主丝断裂砸到副丝，导致副丝无法正常点亮，下方设置为主灯丝，其轴心线垂直于灯泡中心线；上方设置的为副灯丝，主副丝垂直间隔约3 mm。为保障主丝点亮发出的光不被遮挡，主灯丝设置在副灯丝的前面，两者相距3 mm 左右。

LTX12-25/12-25 卤素直柱型灯泡是在发现卤钨循环原理后被制造出的。为光源市场注入新的生命力，它体积小便于安装，且光效、寿命等性能均比白炽灯优越。卤钨直柱型灯泡已经基本取代了白炽灯泡。一般的白炽灯，发光效率与钨丝温度成正比关系，灯丝工作环境温度非常高，但过高温度会导致钨的蒸发，玻壳也因沉淀下来的钨逐渐发黑。20 世纪60 年代发明了卤钨灯，卤族元素填充于白炽灯内，用卤钨循环原理解决灯泡发黑问题。卤钨灯是改进后的白炽灯，其泡壳内填充气体加有一定量的卤族元素。

卤钨循环指灯丝在高温下蒸发出钨原子，并在远离灯丝的外围同卤钨发生化学反应，其产生的卤钨化合物具备挥发特性。气态化合物四处分散，又在灯丝周边分解成钨与卤素，即钨重新回至灯丝、卤素反复此化学反应。下页图2 为卤钨循环纵切面示意图。

主灯丝工作期间高温使部分钨原子蒸发，由于副丝与主丝距离太近（3 mm），一部分钨原子沉积到副丝表面，并随着工作时长越来越多（正常情况副丝不点亮，不参与卤钨循环）。副灯丝各线圈之间沉积的钨原子导致螺距逐渐变窄，螺距的破坏程度与主灯丝工作时间成正比。

铁路行车安全需要，需严格按照“故障导向安全”原则：主灯丝为主要工作灯丝，副灯丝用作备份，当主灯丝故障断丝时，将会被外部检测系统发现并自动为副灯丝供电，同时接通报警电路，提示维护人员更换此灯泡。

传统的双灯丝白炽灯光源，它特有的发光原理和结构特征，使其存在一些不可避免的缺点。如灯丝机械强度不够，工作时间不长、发光效率不高等。它的缺点决定着使用白炽灯有很大的维修工作量，我国铁道里程增多、覆盖更多偏远地区，增加了在信号维护方面的难度和财政支出，同时不利于安全行车[2]。

全面分析卤钨灯的工作机理、材料以及设计等方面，发现它也存在一些缺点。卤钨灯泡在一定温度下产生的卤钨循环，由于泡内空间较大、构造相对繁复，无法避免钨分子的积淀，影响光源亮度和灯丝耐冲击性能以及寿命；其次副灯丝受影响的程度与主灯工作时长成正比，当主丝断裂，无法保证备用灯丝能正常工作；灯丝为双螺旋绕丝，微观构造更加精细复杂，增加了故障发生几率。

综上，卤钨灯泡在使用过程中，容易发生双断丝，无法保障信号灯的可靠性以及铁路行车安全性。

作为色灯信号机的关键光源，铁路信号灯泡始终保持单灯双丝结构，灯泡的质量及性能严重影响着铁路运输的安全。单灯双丝结构，即主丝与副丝共用同一个灯室。信号机正常工作期间通电的是主丝，当主丝发生故障，副丝立即代替其工作，此过程由点灯单元完成。依照铁路应用现场反馈的情况，灯泡主副丝均断裂的几率达1/1000，若全路一年采用60 万只铁路灯泡，则会发生600 起左右双断故障，为铁路行车安全带来隐患。

3 透镜式信号机灯泡双灯一体化设计

创新设计的双灯一体化灯泡，如图3 和4 所示。主副灯丝置于同一玻璃罩内，但处于密闭、高压、互相独立的气体灯室。两个灯室间用玻璃板隔开，然后通过金属卡具固定。工作期间灯丝与周围气体不发生物理或化学反应，副灯丝不会被主灯丝工作期间的干扰；两灯室装置于同一个定焦盘灯头上。同时给每个灯室没充入稀有气体氪。氪气性能优越，它不与泡内任何组建发生理化反应，减缓钨原子蒸发；绝缘能力强，不易被击穿等，有效增加灯泡使用寿命。

传统信号灯泡结构图5 所示，主副灯丝共用一个灯室，“双断”故障时有发生，对铁路运输的安全及效率产生很大影响。为了改善这一弊端，对灯泡进行改进和创新设计。

选用小玻壳，通过陶瓷基体完成一体化双灯设计，主副灯泡工作环境独立；提升灯丝的高温性能，同时调整灯丝结构设置；改善泡内填充气体及循环剂、改进制作工艺；保持灯泡直柱型结构且不改造现有定焦盘，方便调整垂直度以及灯丝高度，实现兼容通用。满足铁路标准的同时，克服现有灯泡避端，提升各方面性能。灯丝的耐冲击性能、使用寿命、照明距离、发光效率、安全性可靠性等都得到有效改善。