一种新型的户外铁路信号灯设计

凌婷婷 张晓刚 于忠帅

基金项目：2023年辽宁省大学生创新创业训练项目；项目名称：一种防雨水防腐蚀的信号灯；项目编号：S202313207015。

作者简介：凌婷婷（2002— ），女，江苏苏州人，本科生；研究方向：轨道交通信号与控制。

*通信作者：张晓刚（1976— ），男，河北石家庄人，工程师，讲师，硕士；研究方向：轨道交通信号与控制，信号信息处理，电子工程设计及智能控制等。

摘要：铁路信号灯长期在户外的露天环境下工作，铁路信号灯受酸碱或环境腐蚀，导致内部元件损毁，降低使用寿命。铁路信号灯的防护性较差，当火车经过时，带动石块飞起，飞起的石块易砸伤信号灯，使其无法工作，增加维修成本。在雨雪天气时，雨水会通过散热孔进入操作腔内导致其内部的电气装置短路受损，短路严重还会发生火灾，从而存在一定的缺陷。另外，该装置通过抽气扇进行散热时，操作腔内的温度与户外温度会形成一定的温差，当冷空气进入操作腔内会形成冷凝水，同样存在一定的危险性。结合现有研究，文章设计了一种防雨水、防腐蚀的新型铁路信号灯，可延长使用寿命，提高利用率。

关键词：信号灯；防雨雪；防腐蚀；户外恶劣环境

中图分类号：U281.11  文献标志码：A

0  引言

2022年，我国铁路营业里程15.5万km，其中高铁营业里程4.2万km。投产新线4 100 km，其中高铁2 082 km。铁路复线率为59.6%，电化率为73.8%。全国铁路路网密度161.1 km/万km2，比2021年末增加4.4 km/万km2，如图1所示。

我国铁路系统庞大，其中作为列车运行指路灯塔的铁路信号灯更是高达几百万个，但铁路信号灯长期在恶劣环境中工作，由于其防护性较差，当火车经过时，会带动地面上的石块飞起，石块容易朝铁路信号灯的方向飞去，从而砸伤铁路信号灯，造成铁路信号灯损坏。另外，由于火车信号灯一般都是露天放置的，缺少保护，会受到恶劣环境的侵蚀，如遭遇雨天时，雨水会深入信号灯的内部，导致电路短路等故障；如果遭遇酸雨天气，雨水中的酸与碱性物质容易毁坏信号灯并腐蚀内部元件，降低使用寿命。这些情况会影响铁路信号灯的正常运行，干扰信号传输，降低信号灯的使用寿命，甚至影响列车的安全运行。

为了改善信号灯的使用条件，很多学者进行了改进研究，设计了适用于雨雪天气、防雾霾功能、便于维修的信号灯等［1-3］。但信号灯在雾霾天气中并没有考虑因雾气腐蚀而产生的使用年限缩短问题［1-2］，有些信号灯也没有考虑到因雾气天气时导致的遮光罩显示不清等问题，都没有系统考虑信号灯的设计，也并没有因地制宜制定适合当地气候环境的设计［3］。如何改善这些问题，助力铁路安全系统更加完善成为关键问题。为此，本文提出一种具有防雨水、防腐蚀结构的铁路信号灯，以期为完善铁路安全系统贡献力量，具有一定实际意义和应用价值。

1  方案设计

这种新型的信号灯，包括的部件有：底板、支撑柱、信号灯箱体、侧盒、支撑件、防水顶棚、导流槽、导流条、排水槽、散热扇、吸水材料、丝杆、电机、隔板、传动杆、从动锥齿轮、传动锥齿轮、套块、刮板、吸水海绵擦。具体结构如图2（a）和（b）所示。

1.1  功能设计

这种新型信号灯的功能主要包括：应对雨雪天气、防止冷凝水进入内部、防腐蚀的功能。

1.1.1  应对雨雪天气

应对雨雪天气主要由以下几个部件共同配合来完成，包括導流槽、防水顶棚、导流条、排水槽，如图2（a）中的7～10所示。通过在信号灯箱体的顶部设置防水顶棚和导流条，顶部固定安装防水顶棚，防水顶棚的顶部开设若干个导流槽，防水顶棚的一侧固定安装导流条，导流条的顶部开设排水槽，导流槽与排水槽配合，在冰雪融化或下雨天气时可以通过导流槽将雨水导流至排水槽内，并通过排水槽将雨水排至装置后方从而避免雨水进入信号灯箱体。

1.1.2  防止冷凝水进入内部

防止冷凝水进入内部，主要设置吸水材料、刮板、吸水海绵擦等部件共同配合完成。如图2（a）中12、20、21所示。通过在防水顶棚的底部设置吸水材料，当散热扇在散热时，纵使温差较大，吸水材料可以将冷空气中的水分吸走，避免与热风接触形成冷凝水的情况出现［4］。并且分别设置刮板与吸水海绵擦，可以先通过刮板对灯体表面的灰尘与凝霜刮除，随后再通过吸水海绵擦对灯体表面进行擦拭，可以使其清除效果更佳，并且在下雨天时如果有雨水溅到信号灯箱体一侧，吸水海绵擦也可以将其表面的雨水擦掉，避免渗入信号灯箱体内部对其内部造成腐蚀的情况出现。

1.2  关键材料

1.2.1  钢铁材料

考虑到使用年限与使用环境相关条件因素的影响，这种信号灯支撑结构的材料可以选择锰钢材料［5］，该材料主要具有以下优势：（1）强大的耐磨性能。由于含有锰元素，锰钢具有极高的耐磨性，并且随着外来的冲击越大，高锰钢自身的耐磨性就会越高。因为高锰钢的表面有一层硬化层，在磨损的同时会不断形成新的硬化层，这就使得本项目具备了适应户外恶劣环境的能力。（2）良好的抗冲击性能。钢材具备更强的抗冲击能力，更适用于高强度的作业环境。（3）韧性和可塑性强。高锰钢具有很高的抗拉强度和很强的可塑性及韧性，即使零件被磨损到很薄的状态依然能承受很强的冲击载荷而不易断裂破裂，因此很适合用于生产制造链条、轴瓦等对耐用性有较高要求的构件。（4）抗腐蚀性好。高锰钢还具有极强的抗腐蚀性能，对于一些高盐、强酸碱性的恶劣环境也很适用。（5）强大的焊接性能好。锰钢的可焊性很高，不会影响其物理性能。

1.2.2  吸水材料

该产品中多次提及的吸水材料是关键，吸水材料的好坏决定了该产品防止冷凝水能力的强弱，可以选择PVA胶棉或尼龙轮［6］。（1）PVA吸水棉：该产品具有极强的吸水能力和给水能力，吸满水后不滴。该产品含有防霉剂，不会发霉，比其他任何海绵的弹性都强而且不易撕裂。该产品很轻，柔滑且吸水性极好。（2）尼龙轮：尼龙的吸水率通常是其重量增加的百分比，当材料暴露在湿气或水中时，会吸收水分。同时尼龙对湿气也有一定的吸收能力，当尼龙暴露在高湿度环境中，它会吸收湿气并增加其含水量，导致尺寸的微小变化。这两种材料均为高吸水性可重复使用材质，可以减少维护的次数。

1.3  主体结构

这种新型铁路信号灯主体结构如图2所示，图2（b）中A处内部结构如图3所示。在底板的顶部固定安装支撑柱，支撑柱的顶部固定安装信号灯箱体，信号灯箱体的两侧均固定安装侧盒，侧盒的顶部固定安装支撑件，支撑件的顶部固定安装防水顶棚，防水顶棚的顶部开设若干个导流槽，防水顶棚的一侧固定安装导流条，导流条的顶部开设排水槽，导流槽与排水槽配合，信号灯箱体的顶部设置散热扇，防水顶棚的底部设置吸水材料。

侧盒的内部转动安装丝杆，支撑件的内部安装电机，电机的输出端延伸至侧盒的内部与一个丝杆固定连接。侧盒的顶部开设与电机输出端配合的孔，侧盒的一侧安装隔板，其中隔板不影响刮板与吸水海绵擦的上下运动。隔板的内部转动安装传动杆，隔板的内部开设与传动杆配合的孔，传动杆的两端均固定安装从动锥齿轮，丝杆的外侧固定安装传动锥齿轮，从动锥齿轮与传动锥齿轮啮合。丝杆的外侧螺纹连接两个套块，套块的内部开设与丝杆配合的孔，套块的一侧固定安装刮板，套块的一侧且位于刮板的顶部安装吸水海绵擦。当吸水海绵擦擦拭凝霜后会被浸湿，当其复位后散热扇散热会将其吹干，刮板和吸水海绵擦与信号灯箱体配合。

综上，该新型铁路信号灯使用时，首先当信号灯箱体在使用时，可以开启散热扇对其进行散热，在冬天散热过程中所排出的热风与外部的冷空气接触时可以通过吸水材料吸收冷空气中的水分，避免形成冷凝水，雨雪天气时通过防水顶棚与导流条可以对信号灯箱体进行防护，避免雨水侵入散热扇与信号灯箱体内部造成短路，最后当信号灯箱体外侧有灰尘或结霜时，可以开启电机，通过电机带动丝杆转动，即可使套块根据其丝杆外侧的螺纹上下移动，移动过程中即可通过刮板与吸水海绵擦将信号灯箱体表面的灰尘雨水或是凝霜祛除，延长其使用寿命。

2  方案分析

通过优化设计，本方案具有以下优点：

2.1  具有防水功能

设置防水螺栓，防止透明罩脱落。使风机与出风口之间连通，保持透明罩内部的干燥，保证信号灯观赏度，保护内部元件，延长使用寿命。同时保护信号灯，防止受潮；防止漏水，造成信号灯短路，避免事故的发生。

2.2  具有防腐蚀功能

一方面，巧妙设置防腐蚀板位置，并使其呈弧形，减少雨水积流，减轻人工处理负担。在透明罩上设置环形引流槽，当起风或雨量较大时，减少雨水对透明罩的腐蚀。另一方面，减少自然气象对透明罩的腐蚀。通过采取物理阻隔阻碍金属表面与腐蚀介质接触，防腐能力非常“被动”，从而减少酸雨对透明罩的腐蚀。

2.3  高温耐磨、阻燃防火

防护罩所选材料具有耐高温、耐磨等特性，可以有效保护机器设备不受损坏。此外，灯体材质采用铝合金灯体表面聚酯粉末喷涂，钢化玻璃采用特殊工艺耐高温线路板并使用阻燃电缆外观呈线状结构打手法，防止高温下影响机体运行。

2.4  拆装方便、简单快捷

防护罩采用可拆式设计，可以随时拆卸下来检修设备，清洁防护罩，延长其使用时长。

2.5  智能化精细管理

工作人员会根据信号灯使用周期，定期去查看铁路信号的使用状况和安全性能，以保证信号灯的稳定使用。通过这样的信息管理，使信号灯里面的各个装置达到最好的状态，周期性监管，达到对铁路工具的智能化精细管理。

2.6  专业先进化、安全性能高

这款信号灯在一些特定的领域中可以代替传统的火车信号灯，使信号的传输不易受到外界环境的干扰，使其更加可靠。该款信号灯具有耐久性、高效性、穿透性、可自行更改的优点，与传统信号灯相比较，成本低、使用时间长。

3  结语

方案在设计过程中进行了现有技术的分析和本行业的相关数据分析，力求科学严谨，同时为该领域的未来研究提供了发展前景。本文对该信号灯的各个部件都进行了不同程度的配合，比如刮板和吸水海绵擦与信号灯箱体配合；侧盒的顶部开设与电机输出端配合的孔；隔板的内部开设与传动杆配合的孔；吸水材料与散热扇配合［7］。另外，本文不仅设计了防雨装置，还考虑到了吸水、导水问题，想到了可能因为使用环境和使用年限等原因导致的少量雨水进入后的情况，因此本文又增加了相关措施，在节约成本的同时，保证提高使用年限。支撑结构材料选用兼顾经济效益和环保效益的优质耐腐蚀材料。本设计为探寻解决我国不同地区铁路交通安全问题提供了新思路，具有一定的使用价值。

参考文献

［1］王金牛.一种用于雨雪天气的交通信号灯：CN215599821U［P］.2022-01-21.

［2］张金良.一种具有防雾霾功能的交通信号灯：CN207690298U［P］.2018-08-03.

［3］陈世春.一种方便维修的交通信号灯：CN215526931U［P］.2022-01-14.

［4］袁立顺.浅谈太阳能无线信号灯在交通工程中的应用［J］.黑龙江科技信息，2012（7）：10.

［5］邹中秋，冀翼，张鑫，等.电力系统表面防腐［J］.广东化工，2022（24）：114-116.

［6］学徒君.纤维的吸湿性［EB/OL］.（2021-11-15）［2023-07-22］.http：//www.cajcd.edu.cn/pub/wml.txt/980810-2.html.

［7］汪鴻，张治国.铁路色灯信号机灯泡的分析与设计［J］.现代工业经济和信息化，2022（8）：46-47，50.

（编辑  王雪芬）

Design of a new type of outdoor railway signal light

Ling  Tingting， Zhang  Xiaogang*， Yu  Zhongshuai

（Dalian University of Science and Technology， Dalian 116052， China）

Abstract： Railway signal lights work in outdoor environments for a long time， and are subject to acid， alkali or environmental corrosion， resulting in damage to internal components and reduced service life. The protective performance of railway signal lights is poor. When a train passes by， it drives stones to fly， which can easily damage the signal lights and make them unable to work， increasing maintenance costs. In rainy and snowy weather， rainwater can enter the operating chamber through the heat dissipation hole， causing short circuits and damage to the internal electrical devices. Severe short circuits can also lead to fires， resulting in certain defects. In addition， when the device dissipates heat through an exhaust fan， there will be a certain temperature difference between the operating chamber and the outdoor temperature. When cold air enters the operating chamber， condensation water will form， which also poses a certain risk. Based on existing research， the article designs a new type of railway signal light that is rainproof and corrosion-resistant， which can extend its service life and improve utilization efficiency.

Key words： lights; rain and snow prevention; anti-corrosion; outdoor harsh environment