色灯信号机

铁路信号概述色灯信号机信号光源LED色灯信号机信号机的设置信号显示第二章信号机和信号表示器第二节色灯信号机色灯信号机以其灯光的颜色、数目和亮灯状态来表示信号。现多采用透镜式色灯信号机，因其结构简单，安全方便，控制电路所需电缆芯线少，所以得到广泛采用。组合式色灯信号机则是为提高在曲线上的显示距离而研制的新型信号机。一、透镜是色灯信号机透镜式色灯信号机有高柱和矮型两类型，高柱信号机的机构安装在钢筋混凝土信号机柱上，矮型信号机的机构安装在信号机水泥基础上。高柱透镜式色灯信号机由机柱、机构、托架、梯子等部分组成。机柱用于安装机构和梯子。机构的每个灯位配备有相应的透镜组和单独点亮的灯泡，给出信号显示。托架用来将机构固定在机柱上，每一机构需上、下托架各一个。梯子用于给信号维修人员攀登及作业。矮型透镜式色灯信号机用螺栓固定在信号机基础上，没有高柱和矮型透镜式色灯信号机又各有单机构和双机构之分。单机构只有一个机构，可构成二显示、三显示和单显示信号机。双机构色灯信号机可构成四显示、五显示。各种信号机根据需要还可以分别带引导信号机构、容许信号机构或进路表示器。2透镜式色灯信号机的机构透镜式色灯信号机的每个灯位由灯泡、灯座、透镜组、遮檐和背板等组成。如图所示。灯泡是色灯信号机的光源，采用直丝双丝铁路信号灯泡。灯座用来安放灯泡，采用定焦盘式灯座，在调整好透镜组焦点后固定灯座，更换灯泡时无需再调整。透镜组装在镜架框上，由两块带棱的凸透镜组成，里面是有色带棱外凸透镜，可有红、黄、绿、蓝、月白、无色六种颜色)，外面是无色带棱内凸透镜。之所以采用两块透镜组成光学系统，是利用光的折射和反射原理将光源发出的光线集中射向所需要的方向，即增强该方向的光强。这样就能满足信号显示距离远而且具有很好的方向性的要求。信号机构的颜色取决于有色透镜，可根据需要选用。遮檐用来防止阳光等光线直射时产生错误的幻影显示。背板是黑色的，构成较暗的背景，可衬托信号灯光的亮度，改善瞭望条件。只有高柱信号机才有背板。一般信号机采用圆形背板。各种复示信号机、遮断信号机及其预告信号机、容许信号则采用方形背板，以示区别。3透镜式色灯信号机构分类透镜式色灯信号机构分为高柱、矮型两大类。高柱、矮型信号机构按结构又分为二显示、三显示两种。二显示机构有两个灯室。三显示机构有三个灯室。每个灯室内有一组透镜、一副灯座、一个灯泡和遮檐。灯座间用板是一个机构共用的。各种信号机可根据信号显示的需要选用机构，再按灯光配列对信号灯位颜色的规定安装各灯位的有色内透镜。另有单显示的复示信号机构、灯列式进站复示信号机构、遮断信号及其预告信号机构以及引导信号机构和容许信号机构。透镜式色灯信号机构的型号含义如下：4透镜式色灯信号机的光系统1）透镜成像的原理透镜式色灯信号机所使用的是凸透镜，其中心厚，边缘薄。根据透镜成像原理，物体在凸透镜前不同的位置，通过透镜的折射作用，在透镜的另一侧会得到物体的像。如果光源在焦点，根据光的可逆性原理，镜头经折射后，就会成为平行光，即成像成无穷远处，光源在焦点上凸透镜的成像如图2-5所示。2）球面像差透镜的球面像差如图2-6所示，阳光射到凸透镜上时，经透镜折射会聚于焦点。但是严格地说，由于入射光进入透镜球面的入射角不同，距光轴远一些的入射角较大。如AB；距光轴近些的入射角较小，如CD。它们折射后的光线并不都聚于一点。实际情况是，距光轴远些的入射光在距离透镜较近的地方与光轴相交（如图中F1称为远轴焦点），距光轴远近的入射光在距离透镜较远的地方与光轴相交（如图中F2称为近轴焦点）。由F1到透镜的距离称为远轴焦距f1;由F2到透镜的距离称为近轴焦距f2;近轴焦距与远轴焦距之差∆𝒇=𝒇𝟐−𝒇𝟏，就称为球面像差（或更准确地说，为透镜的纵向球面像差）。直径相同的透镜，球面像差的大小决定于它的厚度和曲率半径。透镜越厚，曲率半径越小。则球面像差越大。凸透镜几乎都存在着球面像差，只是大小不同而已。3）球面像差与信号显示光源在不同的位置透镜的聚光情况如图2-7所示，可以分析球面像差对信号显示的影响。（a）所示，当光源S在远轴焦点上，根据光的可逆性原理，从透镜边缘射出的、离光轴较远的光是平行的。但对于近轴焦点来说，S在近轴焦距内，所以从透镜中心射出的、接近光轴的光是发散的。如果将这样的光束投到白幕上，看起来中心暗，外围亮。这样的光束，由于它的最强处不在光轴上，不符合信号显示的要求。（b）所示，当光源S在近轴焦点上，根据光的可逆性原理，从透镜中心射出的光是平行的。但对于远轴焦点来说，S在远轴焦距外，所以从透镜边缘射出的、离光轴较远的光是汇聚的。如果将这样的光束投到白幕上，看起来中心很亮，但亮圈范围小。这样的光束不符合信号显示的要求。（c）所示，当光源S在远、近轴焦点之间，一方面，对于远轴焦点，S在远轴焦距以外，所以从透镜边缘射出的光是汇聚的；另一方面，对于近轴焦点来说，S在近轴焦距内，所以从透镜中心射出的光是发散的。如果将这样的光束投到白幕上，看起来中心亮而大，而且从中心到边缘，明暗的变化比较均匀，即显示广而远。这样的光束符合信号显示的要求。实际上，信号光源并非点光源，有一定的体积。如果光源的发光中心正处于（C）所示位置，则上述三种情况都有可能出现。它不能使平行光汇聚成一点，而是汇聚成一个焦散圆。（4）透镜是色灯信号机的光学系统①光学系统的增强率如果直接采用向周围空间以相同光强发射光线，那样光不集中，大部分光线被散射掉，还会造成其他方向误认信号，不适用于铁路信号。因为铁路信号显示要求远且具有方向性，还要显示角度较小。为此，必须选用适当的光学系统，利用光的折射和光的反射原理，将光源发出的光线集中射向所需要的方向，以增强所需要方向上的光强。光线增强的倍数叫做增强率Kz，是指射出的信号光束以平均球面光强I2与光源射入平均球面光强I1之比。采用光学系统的目的，就是要把光源散射的光集中到所需要方向上去，使增强率大于1，提高光的利用率。如果没有光学系统，信号灯泡的光向四面八方辐射，只能将很小角度的张角的光束射向所需要的方向，大部分光不能被利用，显示范围大、距离近、效果差。②透镜成的光学系统如果在信号灯上加装一透镜，所组成的光学系统如图2-8所示。张角α内的光经过透镜折射后可集中到所需要的方向上去，次长角比不加透镜时的张角α大的多。光的利用率高的多。射出的信号光束比较集中，显示距离较远，但显示效果不能很好符合要求。用两块透镜组成的光学系统的增强率比单透镜系统大。所以色灯信号机一般采用透镜组，透镜式色灯信号机的光学系统如图2-9所示。图中，w1称为光学系统的含角，w2称为散角。要提高光学系统的增强率，必须加大光学系统的含角和减小它的散角，以及增大透过系数。从另一个方面考虑，要得到较大的增强率，必须加大透镜的孔径，缩小光源的直径，增大透过系数。当然，孔径不宜太大，否则过于笨重且不经济。③内梯透镜和外梯透镜透镜式色灯信号机的信号透镜主要有3类：139外梯有色透镜（红、黄、绿、蓝、月白、无色六种）、163和212内梯无色透镜，透镜式色灯信号机用玻璃如图2-10.其中，139和212组合，用于高柱信号机。139和163组合，用于矮型信号机。139外梯有色透镜是通用的，以减少品种。高柱和矮型透镜式色灯信号机的光学系统分别如图2-11和2-12信号光学系统之所以采用梯形透镜，是因为带棱透镜比不带棱的整块凸透镜，重量轻，而且球面相差小。139外梯有色棱镜有7个棱，163内梯无色透镜只有5个棱，这样139的第6,7两个棱在矮型色灯信号机的光学系统里就没有多大作用，其余5个棱与163的5个棱一一对应。优点：结构简单，维修容易，昼夜显示一致，使用方便，因而广泛使用。缺点：光源照向阶梯的侧面光被损失掉，形成暗圈，光通量未得到充分利用。更重要的是，在阳光等的直接照射下会形成不该亮的等位也呈现出色光的幻觉，干扰对信号显示的辨认，为此不得不降背板涂成黑色，以减小背板的反射，且每一个凸透镜组都带遮檐。二、组合式色灯信号机透镜式色灯信号机构的光系统射出的平行光线，两侧分别只有的2°散角，覆盖面很窄，在曲线线段上只能在局部范围内能看到，即使加了偏光镜也很难在整个曲线范围内得到连续显示。为保证曲线区段信号显示的连续，20世纪80年代从德国引进V136型信号机构，并据此研制了适合我国铁路需要的新型组合式信号机构，作为透镜式信号机构的换代产品。组合式色灯信号机适用于瞭望困难的线路，适用于曲线半径300-20000m的各种曲线和直线轨道上，在距信号机5-1000m距离内得到连续信号显示。该信号机光系统设计合理，光能利用率高，显示距离远，主光源显示距离可达1000m，如不加偏散镜可达1500m。曲线折射性能强，偏散角度大，可见光分布均匀，能见度高，有利于司机瞭望。组合式信号机每个机构只有一个灯、三显。灯室间无串光的可能。1组合式色灯信号机的结构组合式信号机构由光系统、机构壳体、遮檐、瞄准镜插孔五部分组成，如图所示。1）光系统组合式信号机构的光系统由反光镜、灯泡、色片、非球面镜、偏散镜及前表面玻璃组成。2）机构壳体机构外壳用硅铝合金压铸而成。内外表面均涂无光黑漆，可防止光反射。结构合理，密封性能好，且体积小，重量轻，每个机构包括遮檐约7kg，便于携带安装。3）遮檐机构的遮檐采用玻璃纤维增强不饱和聚酯，俗称玻璃钢制造。重量轻、耐腐蚀性能好。强度高。其几何形状设计成既能遮挡阳光，又能满足偏散光显示的需要。4）瞄准镜插孔信号机构右下方有一个瞄准镜插孔，供调整信号机显示方向时使用。因瞄准镜孔中心与信号机构的主光轴是相互平行的，所以瞄准镜中找到的目标点也就是信号机主光轴能照射到的地方，从而加快了信号机的调整速2组合式信号机的分类按非球面透镜的直径分XSZ-135型、XSZ-150型、XSZ-200型，应用最广泛是XSZ-135型。3组合式信号机的光学原理由光源发出的光，通过滤色片变成色光，经过非球面镜将散射的色光汇聚成平行光，再经过偏散镜进行折射偏散，经其中一部分保持原方向射出，称为主光；另一部分按偏散镜的偏散角度射出称为偏光。主光主要用于远距离显示，光强较高。偏光主要用于曲线部分。随着列车的运行，逐渐接近信号机，对于光强的要求也逐渐减弱，所以偏光的光强也随着偏散角度加大相应地逐渐减弱，从而充分利用了光源，使得在曲线上各个位置看到的信号灯光亮度均匀一致。组合式信号机的光学原理