周茂慶

（無(wú)錫地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，江蘇無(wú)錫 214131）

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無(wú)錫地鐵1號(hào)線車(chē)輛前照燈故障分析與優(yōu)化

周茂慶

（無(wú)錫地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司，江蘇無(wú)錫 214131）

摘 要：無(wú)錫地鐵1號(hào)線自開(kāi)通試運(yùn)營(yíng)以來(lái)，車(chē)輛前照燈故障頻發(fā)，給車(chē)輛運(yùn)用和檢修造成了諸多不利影響，通過(guò)綜合分析其故障原因及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了對(duì)前照燈光源進(jìn)行優(yōu)化改造的解決方案，并通過(guò)裝車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性和有效性。

關(guān)鍵詞：地鐵車(chē)輛；前照燈；故障分析；改造

0　概述

無(wú)錫地鐵 1號(hào)線車(chē)輛外部照明前照燈由左、右遠(yuǎn)光燈和左、右近光燈 4 盞獨(dú)立的燈具構(gòu)成，其組成及安裝位置如圖 1 所示。左、右遠(yuǎn)光燈除燈罩外其結(jié)構(gòu)完全相同；左、右近光燈除燈罩外其結(jié)構(gòu)也完全相同，且其含近光（氙燈光源）及紅、白標(biāo)志燈（紅、白 LED 光源）的功能。

遠(yuǎn)、近光燈燈具均通過(guò)車(chē)體適配法蘭以膠接的方式安裝在司機(jī)室頭罩左右兩側(cè)的燈倉(cāng)內(nèi)；燈體組件、反光杯、透光罩等則通過(guò)法蘭或安裝板用螺釘緊固在適配法蘭上。1號(hào)線車(chē)輛遠(yuǎn)、近光燈均采用目前較為先進(jìn)和普遍使用的氙燈光源，其主要技術(shù)參數(shù)如表 1 所示。它主要是利用高壓的正負(fù)電刺激燈泡中的氙氣與稀有金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)而發(fā)光，與傳統(tǒng)的鹵素?zé)粝啾?，具有功率小、亮度高、色溫性好的?yōu)點(diǎn)。

1　前照燈主要故障及原因分析

1.1近光燈燈泡不亮

1號(hào)線車(chē)輛自開(kāi)通試運(yùn)營(yíng)以來(lái)，前照燈頻繁發(fā)生近光燈不亮或光線變?yōu)榧t色光束故障，根據(jù)運(yùn)營(yíng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，一年來(lái)共累計(jì)更換近光燈氙燈光源 26 個(gè)，故障率高達(dá) 28.3%，給車(chē)輛運(yùn)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(shù)參數(shù)

雖然近光燈燈泡屬于易耗件，但根據(jù)供貨商提供的技術(shù)資料說(shuō)明，近光燈氙燈燈泡的平均壽命不小于 2500h，結(jié)合無(wú)錫地鐵1號(hào)線列車(chē)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(nèi)，車(chē)輛平均走行公里不小于 173500km。按每列車(chē)平均每天上線運(yùn)行 17h、檢修平均停時(shí)不超過(guò) 1h 計(jì)算，車(chē)輛實(shí)際平均走行公里應(yīng)不小于 163294km。然而根據(jù)運(yùn)營(yíng)故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，有 84.6% 的故障發(fā)生在平均壽命周期以?xún)?nèi)，即氙燈燈泡實(shí)際使用壽命低于理論平均壽命，屬于非正常損耗。

技術(shù)人員分析近光燈構(gòu)造發(fā)現(xiàn)：由于近光燈安裝在一個(gè)空間較為密閉的燈倉(cāng)內(nèi)，導(dǎo)致熱量集聚無(wú)法發(fā)散，進(jìn)而縮短了氙燈燈泡的使用壽命。此外，根據(jù)氙氣燈發(fā)光原理，啟動(dòng)過(guò)程中安定器將 24V 的直流電壓瞬間增至 23000V 電壓，經(jīng)過(guò)高壓震幅激發(fā)石英管內(nèi)的疝氣電子游離，在兩電極之間產(chǎn)生的白色超強(qiáng)電弧光，加之長(zhǎng)時(shí)間正線運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)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(nèi)重金屬氧化而失效。

1.2近光燈照射角度調(diào)節(jié)失效

根據(jù) TB/T 2325.1-2006《機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)組前照燈、輔助照明燈和標(biāo)志燈技術(shù)條件 第 1 部分：前照燈》中第6.9.2 項(xiàng)要求，前照燈的可調(diào)部位應(yīng)靈活，便于調(diào)整照射方向和焦距：在工作狀態(tài)下，其主光軸應(yīng)該下俯 1°～1.5°，不應(yīng)仰起，以免光束脫離軌道。然而 1號(hào)線車(chē)輛自運(yùn)營(yíng)以來(lái)，司機(jī)多次反映遠(yuǎn)、近光燈照射角度偏離，無(wú)法看清正線軌面，給司機(jī)瞭望造成了很大困擾，影響了行車(chē)安全。

1號(hào)線遠(yuǎn)、近光燈燈體均通過(guò)安裝法蘭與車(chē)體適配法蘭安裝，按照設(shè)計(jì)要求，燈具安裝后應(yīng)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(shí)，為了消除車(chē)體及安裝的微小誤差，遠(yuǎn)光燈設(shè)計(jì)了彈簧調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過(guò)該機(jī)構(gòu)可進(jìn)行燈光俯仰角的微調(diào)（調(diào)節(jié)角度為±5°）；近光燈因空間限制，沒(méi)有空間增加彈簧調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，但可通過(guò)在反光杯的3 個(gè)安裝點(diǎn)上增加墊片進(jìn)行俯仰角的微調(diào)（調(diào)節(jié)角度為±5°）。

技術(shù)人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)光燈通過(guò)調(diào)節(jié)其彈簧機(jī)構(gòu)，主光軸均達(dá)到了鐵標(biāo)要求的范圍；而部分車(chē)輛近光燈當(dāng)調(diào)節(jié)反光杯到極限位置時(shí)，仍不能將主光軸照射角度調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)范圍，說(shuō)明車(chē)體及安裝誤差已超過(guò)其調(diào)節(jié)裕量。進(jìn)一步檢查研究發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)該問(wèn)題的主要原因是車(chē)體適配法蘭安裝傾斜，嚴(yán)重的大約有 10°左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了設(shè)計(jì)允許的微調(diào)裕量，導(dǎo)致近光燈照射角度調(diào)節(jié)失效。

1.3近光燈燈罩發(fā)黃灼裂

1號(hào)線運(yùn)營(yíng)一段時(shí)期后，即發(fā)現(xiàn)車(chē)輛近光燈燈罩泛黃故障呈不斷上升趨勢(shì)，由于備件更換需要一定的周期，一些未及時(shí)更換的發(fā)黃燈罩表面甚至出現(xiàn)了灼傷開(kāi)裂的現(xiàn)象。通過(guò)研究分析發(fā)現(xiàn)，該故障主要由以下 2 個(gè)因素造成。

（1）1號(hào)線車(chē)輛前照燈燈罩材質(zhì)為 PC 材質(zhì)，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(huì)引起發(fā)黃，通常 PC 材質(zhì)老化降解的主要因素是受到了強(qiáng)紫外線照射和高溫的影響。這是因?yàn)樽贤饩€照射會(huì)激發(fā)產(chǎn)生自由基，而自由基又會(huì)破壞高分子鏈，高分子聚合物因分子結(jié)構(gòu)衰減從而老化發(fā)黃；而 PC 材質(zhì)在 40～80 ℃的環(huán)境中，隨著溫度的升高，高分子鏈會(huì)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，引起構(gòu)象重排，出現(xiàn)降解反應(yīng)，導(dǎo)致老化發(fā)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(qiáng)紫外線和強(qiáng)紅外線，具有很強(qiáng)的連續(xù)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(chǎn)生的熱量使氙燈中心溫度＞200 ℃，燈倉(cāng)溫度在 60～90 ℃，長(zhǎng)期受強(qiáng)紫外線照射及高溫環(huán)境的影響，使得PC燈罩逐漸老化變黃。即使在燈罩材質(zhì)中增加抗老化劑，也只能延緩發(fā)黃時(shí)間，而不能完全解決發(fā)黃問(wèn)題。

圖2　氙氣燈的光譜分布曲線

2　優(yōu)化方案研究及試驗(yàn)

2.1優(yōu)化方案研究分析

（1）針對(duì)近光燈燈泡不亮的問(wèn)題，通過(guò)較為充分調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，目前市場(chǎng)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(xiàn)在壽命周期內(nèi)失效的現(xiàn)象。當(dāng)前市場(chǎng)優(yōu)先推廣 LED 光源，能夠顯著提高近光燈的使用壽命。

（2）針對(duì)近光燈照射角度調(diào)節(jié)失效的問(wèn)題，由于車(chē)體適配法蘭與司機(jī)室頭罩燈倉(cāng)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(fā)散，使照射范圍更廣，從而彌補(bǔ)了燈光無(wú)法照射到軌道上的不足。

（3）針對(duì)近光燈燈罩發(fā)黃灼裂的問(wèn)題，最有效的辦法是將 PC 材質(zhì)改為玻璃材質(zhì)，或者用 LED 光源替代氙燈光源。但是，鑒于無(wú)錫地鐵 1號(hào)線前照燈的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，玻璃材質(zhì)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(gè)問(wèn)題，同時(shí)綜合考慮解決方案的可操作性、經(jīng)濟(jì)性等，通過(guò)研究分析對(duì)比，決定采用 LED 光源替代近光燈氙燈光源的優(yōu)化方案。

2.2LED光源設(shè)計(jì)優(yōu)化及試驗(yàn)

2.2.1大功率LED光源方案

由于 LED 光源的封裝形式?jīng)]有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不同的廠家封裝是不同的，而不同的 LED 封裝會(huì)使得 LED 的出光也不同，導(dǎo)致光能在空間的分布也不同，因此，針對(duì)不同廠家的 LED，反光杯的設(shè)計(jì)是不同的。為了盡可能減少對(duì)近光燈原有結(jié)構(gòu)及接口的改動(dòng)，在延用原有反光杯設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的前提下，最初采用了 CREE 2HLH7W 型號(hào)的 LED 光源，并設(shè)計(jì)與之匹配的電源驅(qū)動(dòng)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(fā)光光譜中不包含紅外線和紫外線，因此，不會(huì)像氙燈那樣發(fā)光中出現(xiàn)大量熱能，但大功率 LED 燈本身需要散熱，考慮到近光燈燈倉(cāng)密閉的環(huán)境以及空間結(jié)構(gòu)的限制，需在 LED 光源尾部安裝風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制散熱。同時(shí)，對(duì)電源進(jìn)行了自動(dòng)降功率設(shè)計(jì)，即使風(fēng)扇出現(xiàn)故障，驅(qū)動(dòng)器的保護(hù)設(shè)計(jì)也能夠迅速降低功率，降低發(fā)熱量，從而有效保障 LED 燈不會(huì)因?yàn)樽陨戆l(fā)熱而失效，保證燈具能夠正常使用。

該方案經(jīng)照度、溫升測(cè)試合格后，在 1號(hào)線試裝 4列車(chē)進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，但效果并不理想。在 3個(gè)月的考核驗(yàn)證期內(nèi)，LED 光源近光燈陸續(xù)發(fā)生燈光閃爍及死燈故障，失效率高達(dá) 75%。究其原因，根本問(wèn)題還是由于燈倉(cāng)空間狹小且密閉，燈倉(cāng)尾部沒(méi)有通風(fēng)口，空氣不流通，導(dǎo)致 LED 燈具驅(qū)動(dòng)電源及 LED 光源產(chǎn)生的熱量聚集在燈倉(cāng)內(nèi)無(wú)法排出，累積的熱量致使驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，造成燈光閃爍。而 LED 光源和驅(qū)動(dòng)電源長(zhǎng)時(shí)間在這種惡劣的環(huán)境中工作，性能受到影響，引發(fā)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(cāng)的密閉結(jié)構(gòu)很難改變，考慮通過(guò)降低驅(qū)動(dòng)電源功率來(lái)降低熱平衡溫度點(diǎn)，從而保證 LED 光源和驅(qū)動(dòng)電源不受高溫影響發(fā)生故障。但是 LED 光源的功率降低，必然會(huì)導(dǎo)致光通量減少，照度變小。因此，只有通過(guò)更改 LED 光源類(lèi)型及其封裝形式，采用透鏡匹配 LED 燈珠的光學(xué)設(shè)計(jì)，保證電源功率降低的同時(shí)滿足近光光強(qiáng)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(bǔ)償車(chē)體適配法蘭安裝偏差，保證照射角度符合標(biāo)準(zhǔn)范圍，采用 LED 光源匹配偏光透鏡的方案，并設(shè)計(jì)與之匹配的電源驅(qū)動(dòng)器。

由于 LED 不同于其他器件，溫度的變化會(huì)影響其各種性能，溫度過(guò)高，光衰減嚴(yán)重，并且使用壽命也會(huì)縮短。為了進(jìn)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(jié)構(gòu)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(dòng)式和主動(dòng)式 2 種，綜合考慮成本和穩(wěn)定性等因素，在新方案 LED 光源板和電源之間安裝了 1 個(gè)鋁材翅片式散熱器進(jìn)行散熱，并用導(dǎo)熱硅膠黏結(jié)為一個(gè)整體。

該方案經(jīng)照度、溫升測(cè)試合格后，在 1號(hào)線試裝1 列車(chē)進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，經(jīng)過(guò) 6 個(gè)月的考核驗(yàn)證，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足使用要求，解決了近光燈存在的主要問(wèn)題，證明該方案是可行的、有效的，其優(yōu)化改進(jìn)前后近光燈主要參數(shù)對(duì)比如表 2 所示。

表2　氙氣燈與 LED 燈主要參數(shù)對(duì)比

3　成果及效益

綜上所述，通過(guò)不斷優(yōu)化改進(jìn)和試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定了透鏡 LED 光源的優(yōu)化改造方案，并且完成了 1號(hào)線所有列車(chē)近光燈光源的優(yōu)化改造。經(jīng)過(guò) 1 年多的運(yùn)營(yíng)觀察，車(chē)輛運(yùn)用狀態(tài)良好，不僅極大地降低了 1號(hào)線車(chē)輛外部照明近光燈的故障率，提升了車(chē)輛服務(wù)品質(zhì)；而且提高了近光燈光源的使用壽命周期近 12 倍，減少了車(chē)輛運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。同時(shí)，由于 LED 光源近光燈的功率不到氙燈光源的 1/3，還具有節(jié)能降耗的作用。目前，正在研究開(kāi)展遠(yuǎn)光燈的透鏡 LED 光源優(yōu)化改造工作。

4　結(jié)束語(yǔ)

無(wú)錫地鐵1號(hào)線車(chē)輛近光燈 LED 光源的優(yōu)化改造，不僅成功解決了因產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選型選材以及安裝等因素造成的一系列問(wèn)題，而且為遠(yuǎn)光燈的改造提供了數(shù)據(jù)支撐和工程經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也對(duì)燈具安裝空間結(jié)構(gòu)及散熱設(shè)計(jì)提出了新的要求。目前，雖然地鐵車(chē)輛前照燈仍普遍使用氙燈光源，但是隨著 LED 技術(shù)的不斷升級(jí)和更新?lián)Q代，以及在新線項(xiàng)目和舊線改造中的廣泛推廣運(yùn)用，未來(lái)必將以其巨大的優(yōu)勢(shì)取代氙燈光源成為前照燈主流產(chǎn)品。

參考文獻(xiàn)

[1] 王剛，陳文海. 廣州地鐵三號(hào)線北延段列車(chē)頭燈故障分析與改造[J]. 軌道交通裝備與技術(shù)，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(qiáng)激光與粒子束，2010，22（10）：2483-2486.

[3] 廖國(guó)強(qiáng)，馬連仲，顏寧. 電力機(jī)車(chē)前照燈失效分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 技術(shù)與市場(chǎng)，2013，20（7）：1-2.

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

[5] TB/T 2325.1-2006 機(jī)車(chē)、動(dòng)車(chē)組前照燈、輔助照明燈和標(biāo)志燈技術(shù)條件 第1部分：前照燈[S].

責(zé)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(lèi)號(hào)：U260.4+1

作者簡(jiǎn)介：周茂慶（1974—），男，工程師

收稿日期2016-04-01