Светофоры со светодиодными головками
3.1. Общие сведения о светофорах со светодиодными головками
Железнодорожные светофоры предназначены для регулирования движения поездов, маневровых составов, а также регулирования скорости роспуска с сортировочной горки. Также светофоры или дополнительные световые указатели могут информировать машиниста о маршруте или как-либо ещё конкретизировать показание. Отсюда и высокие требования к надёжности их работы и качеству передаваемых сигнальных показаний.
Длительный опыт эксплуатации железнодорожных светофоров, где в качестве источников света используются лампы накаливания, позволяет сделать вывод, что их технико-экономические показатели невысоки. Срок службы светофорных ламп не превышает 2000 часов, они имеют низкую надежность, более того до 0,2 % из них отказывают ранее установленного срока службы.
Цветные линзы-светофильтры создают опасность неправильного восприятия показания сигнала из-за отраженных или проходящих через открытую крышку головки светофора солнечных лучей.
Применение в качестве линз светофоров обычного стекла приводит к массовому их повреждению в результате случаев вандализма. Ежегодно по этой причине приходится менять до 10 % линз. Использование защитных металлических решеток или полимерного стекла не в полной мере гарантирует их защиту и, кроме того, снижает дальность видимости огней светофоров.
За прошедшие 50 лет светофоры не претерпели существенных качественных изменений. Большие надежды были связаны с применением двухнитевых ламп, однако это не дало стопроцентного резервирования источника света. Так, при разгерметизации колбы лампы, что происходит довольно часто, одновременно перегорают обе нити. Кроме того, за последние годы качество светофорных ламп заметно ухудшилось.
Например, по анализу службы автоматики и телемеханики Приволжской железной дороги в 2010 году произошло 44 отказа в работе светофоров, что составляет 41% от общего количества отказов по вине эксплуатационного штата хозяйства автоматики и телемеханики. Основными причинами нарушения нормальной работы светофоров это потеря электрического контакта в ламподержателе – 20 случаев, перегорание ламп светофоров – 23 случая. Поэтому перспектива замены ламповых светофоров на альтернативные высоконадежные источники света сейчас действительно актуальна.
Светодиоды – это слаботочные приборы, способные излучать световую энергию при низких напряжениях и малых точках. С одной стороны, это несомненное преимущество: можно получить источники световых сигналов с малым потреблением электроэнергии и обеспечить регулировку силы света изменением скважности импульсов питающего напряжения. При этом видимость сигналов будет обеспечиваться благодаря быстродействию светодиодов и инерционности зрения человека. Светодиод механически прочен и исключительно надежен, его срок службы может достигать 100 тысяч часов, что почти в 100 раз больше, чем у лампочки накаливания. Наконец, светодиод - низковольтный электроприбор, а стало быть, безопасный. В целом светодиод, долговечный прибор срок службы светодиодов составляет в настоящее время 20 - 50 тысяч часов.
В 2006 году стали применять красные светодиодные головки. Такая головка обслуживается не очень часто и поэтому получается снижение расходов почти в десять раз. Уменьшаются затраты на наладку и управление, а также параметры видимости и эксплуатация приборов улучшаются. В 2011 году поставлена задача, подготовить для применения новые светодиодные светофоры. Большой путь развития светофоров, работающих на светодиодах еще впереди.
Рисунок 6 – Головка светодиодного светофора
В целом внедрение светодиодных устройств световой сигнализации для железных дорог России ведется, начиная уже с 1998 года. В рамках реализации Программы безопасности движения налажено производство светодиодных светофорных головок для
железнодорожных переездов и светодиодных светофоров оповестительной пешеходной сигнализации, предназначенных для организации движения автомобильного транспорта и пешеходов. Срок службы таких светосигнальных устройств не менее 20 лет, при средней наработке на отказ 50 000 часов.
Современные светодиодные светофорные головки, заменившие на железнодорожных переездах ламповые светофоры, имеют дополнительные достоинства. Дальность видимости сигналов увеличена от 200 до 300 метров, угол обзора увеличен от 200 до 500 метров, повреждение защитного стекла или светодиодов не приводит к изменению цвета сигнала.
Рисунок 7 – Светофор со светодиодными головками
3.2. Внедрение светодиодных светофоров на сети железных дорог
Использование светодиодов в осветительных приборах является наиболее передовой технологией освещения. Энергоэффективность светодиодных источников света в 2 раза превышает энергоэффективность люминесцентных ламп и в 10 раз – ламп накаливания. Малое энергопотребление, высокая надежность, длительный срок службы, экологическая безопасность, отсутствие необходимости в регулярном обслуживании и антивандальные качества делают эти источники света весьма выигрышными по сравнению с традиционными лампами накаливания, люминесцентными и газоразрядными лампами.
Понимая огромные перспективы светодиодов, разработкам и внедрению освещения на их основе сейчас уделяют огромное внимание основные мировые производители электротехники (Филипс, Осрам, Дженерал электрик и другие). Российские производители на данном этапе, в основном, изготавливают осветительные светодиоды, используя светодиодные чипы иностранного производства. Хотя до производства российских чипов надлежащего качества осталось ждать недолго – хорошими темпами в этом направлении двигаются отечественные предприятия «Светлана-Оптоэлектроника» и «Оптоган».
В настоящее время лидером светодиодного освещения среди крупнейших российских корпораций без преувеличения можно назвать ОАО «РЖД». Основными направлениями использования светодиодов на данном этапе являются – светодиодное освещение железнодорожного транспорта (вокзалы, станции, депо, мосты и тоннели) и светодиодные светосигнальные устройства (маршрутные указатели и светофоры). На последних хотелось бы остановиться поподробнее.
Внедрение светодиодных светосигнальных устройств осуществляется в рамках инвестиционного проекта «Внедрение ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте», генеральным подрядчиком которого является ЗАО «Отраслевой центр внедрения новой техники и технологии».
Основная цель – повышение эффективности и надежности светосигнальных приборов железнодорожного транспорта, улучшение их светотехнических параметров (дальность видимости и различимость сигнальных показаний), что ведет к повышению безопасности движения, улучшению условий труда машинистов.
Пилотный проект 2010 года – это внедрение на девяти железных дорогах (филиалах ОАО «РЖД») – Октябрьской, Московской, Горьковской, Северной, Северо-Кавказской, Приволжской, Свердловской, Восточно-Сибирской, Дальневосточной 740 мачтовых светофорных головок с модулями светодиодных систем (для светофоров числовой кодовой автоблокировки).
Основными производителями головок в проекте этого года являются ЗАО НПО «РоСАТ» г. Армавир – производитель светодиодов и корпусов головок, и ОАО «УОМЗ» г. Екатеринбург – производитель светодиодных светофорных модулей, использующий сертифицированные импортные светодиоды.
Установленные светодиодные светофорные головки получили положительные отклики с дорог. Машинистам нравятся яркие огни светодиодных светофоров, хорошо различимые при любых погодных условиях.
В период с 13 по 15 октября в Ростове-на-Дону прошла 5-я научно-практическая конференция «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» ТрансЖАТ-2010. В рамках конференции была организована выставка, на которой при содействии ОЦВ была представлена светофорная головка с антикоррозийным нанопокрытием (газотермическое металлонапыление). Это покрытие имеет несравнимо лучшие показатели антикоррозийности, чем применяемое сейчас цинкование. Головка с нанопокрытием вызвала большой интерес как руководства департамента Автоматики и телемеханики, так и представителей служб Ш железных дорог. На данном этапе прорабатывается вопрос о применении данного покрытия головок.
Одним из мероприятий конференции была панельная дискуссия по светодиодной тематике, в которой были обозначены следующие основные задачи:
– для монтажа светофорных головок (выставления оси свечения головки) предложено обратиться в соответствующие службы для разработки комплекта специального метрического инструмента наподобие маркшейдерского. Предполагается, что иногда возникающие проблемы с ослеплением машинистов светодиодными светофорными головками связаны именно с неправильно выставленной осью свечения;
– сформировать ЗИП за счет средств гарантийных обязательств производителей с адресами размещения в суточной близости от мест внедрения;
– организовать call-центр по вопросам внедрения и эксплуатации светодиодных светофоров.
В 2011 году предполагается подготовить к внедрению еще несколько типов светофоров на основе светодиодов. Так что большой путь светодиодов только начинается.
3.3. Светодиодные сигнальные устройства как ресурсосберегающие технические средства.
Поскольку светодиоды служат в 10 раз дольше, позволяют создать более широкий луч света повышенной яркости и к тому же потребляют на 80 % меньше электроэнергии, чем лампы накаливания, у изготовителей и потребителей, казалось бы, не должно быть никаких сомнений по поводу того, какие источники света следует использовать в сигнальных устройствах. Однако светодиоды значительно дороже, чем лампы накаливания, поэтому некоторые железнодорожные администрации с осторожностью относятся к полномасштабному внедрению сигналов на светодиодах.
Современные светодиодные светофорные головки, заменившие на железнодорожных переездах ламповые светофоры, имеют дополнительные достоинства:
- дальность видимости сигналов увеличена от 200 до 300 метров, угол обзора увеличен от 200 до 500
- повреждение защитного стекла или светодиодов не приводит к изменению цвета сигнала.
В 2007 - 2009 году предлагается внедрение в рамках Программы ресурсосбережения светодиодных маршрутных указателей – буквенного, цифрового и положения, предназначенных для указания пути приема, отправления или направления следования поездов и маневровых составов.
Светодиодные маршрутные указатели разработаны по заданию Департамента автоматики и телемеханики ОАО «РЖД», в 2005 году проведены эксплуатационные и приемочные испытания, опытные образцы введены в постоянную эксплуатацию на Горьковской железной дороге.
В 2006 году изготовлена установочная партия, проведены квалификационные испытания, подтверждена готовность производства к серийному выпуску.
Применяемые в настоящее время маршрутные указатели на лампах накаливания имеют следующие существенные недостатки:
- высокое энергопотребление - 1400 Вт, за счет применения в своем составе до 35 ламп накаливания мощностью 40 Вт;
- низкую надежность ламп накаливания, недостаточную пыле- влаго- защищенность, приводящую к окислению контактов ламп накаливания, загрязнению внутренних поверхностей линз, загрязнению защитного стекла, снижению видимости и различимости сигнального показания, что при нормативной периодичности обслуживания 1 раз в 6 месяцев приводит к высоким эксплуатационным расходам, составляющим 7075 руб./год на один указатель;
- небольшой нормативный срок службы - 10 лет.
Предлагаемые светодиодные маршрутные указатели имеют гораздо более высокие технико-экономические показатели:
- энергопотребление снижено в 4 раза в дневном режиме и в 10 раз в ночном за счет снижения потребляемой мощности светодиодных ячеек до 10 Вт;
- эксплуатационные расходы снижены в 10 раз за счет исключения ряда технических операций периодического обслуживания, таких как проверка внутреннего состояния указателя, измерение напряжения на лампах и их замена, чистка переднего стекла и внутренних поверхностей линз, ликвидация последствий проявления вандализма;
- срок службы увеличен в 2 раза – до 20 лет, за счет применения современных высокопрочных полимерных материалов и покрытий, высоконадежных светодиодов со сроком службы на весь период эксплуатации, повышенной защиты от проявлений вандализма;
- обеспечена взамозаменяемость с существующими ламповыми конструкциями;
Более высокие светотехнические параметры – дальность видимости и различимость сигнального показания - обеспечивают улучшение условий труда машинистов.
В состав светодиодного указателя входят светодиодные ячейки в количестве от 21 до 35, корпус, комплект монтажных частей для установки на несущие конструкции.
Срок окупаемости светодиодных маршрутных указателей составляет 2,6 года, светодиодных маршрутных указателей положения – 3,3 года.
Технико-экономические обоснование на светодиодные маршрутные указатели разработаны в соответствие с «Методическими рекомендациями по оценке инвестиционных проектов на железнодорожном транспорте, утвержденными указанием МПС России от 31 августа 1998 г. № В-1024у.
В текущем 2006 году завершается разработка головки светодиодной красного цвета заградительного светофора для железнодорожных переездов, головки светодиодной мачтового светофора с токовым контролем.
Предлагается включение этих изделий в Программу ресурсосбережения, с началом внедрения в 2007 году.
Применяемые в настоящее время на железных дорогах светофорные головки на лампах накаливания обладают общими недостатками, к числу которых относятся:
- малый срок службы светофорных ламп, не превышающий 2000 часов;
- низкая надежность лампы накаливания;
- достаточно высокая трудоемкость замены ламп накаливания, обуславливающая значительные эксплуатационные расходы;
- слабая защита от проявлений вандализма;
- вероятность появления разрешающего сигнала при повреждении светофильтра.
Предлагаемая головка светодиодная заградительного светофора является малообслуживаемым устройством и обеспечивает:
- снижение эксплуатационных расходов в 10 раз за счет исключения из числа технических операций периодического обслуживания регламентной замены ламп накаливания за счет применения высоконадежных светодиодов со сроком службы на весь период эксплуатации;
- снижение затрат на ремонтно-восстановительные работы за счет применения современных высокопрочных полимерных материалов и покрытий, обеспечивающих повышение коррозионной стойкости и защиты от проявлений вандализма;
- снижение затрат на периодическую регулировку за счет широкой диаграммы направленности;
- улучшение светотехнических параметров, таких как различимость и дальность видимости заградительного огня, повышение достоверности контроля сигнального показания за счет внедрения фотометрического контроля, контроль отказов и предотказных состояний, повышение безопасности движения
- монтаж на существующие несущие конструкции
Рисунок 8 – Эскиз светодиодного светофора
Модуль состоит из корпуса 1, кольца 2 и защитного светопрозрачного кожуха 3. Внутри корпуса установлен излучатель 4, включающий концентратор 5 (представляющий собой ячеистую конструкцию), внутри каждой ячейки которого установлены светоизлучающий диод 6, коллимирующая линза 7 и антифантомная решетка 8.Электросхема, обеспечивающая свечение диодов, собрана на печатной плате 9. На задней стенке корпуса расположены два контактных зажима 10 для подключения питания модуля.
В состав головки светодиодной входят:
- корпус;
- защитное ударопрочное стекло;
- светодиодная матрица;
- система регистрации светового потока;
- блок управления, контроля и самодиагностики;
- интерфейс связи с постом и системами ДК;
- фоновый щит;
- козырек.
Следующее изделие, предлагаемое для включения в программу ресурсосбережения - головка светодиодная мачтового светофора с токовым контролем - предназначена для управления движением поездов, обеспечивает включение световых сигналов, контроль исправности в рабочем режиме, контроль исправности линии связи с оборудованием систем АБ.
Головка является малообслуживаемым устройством и обеспечивает:
- снижение эксплуатационных расходов в 12 раз;
- снижение энергопотребления в 1,5 раза за счет снижения потребляемой мощности до 9-10 Вт вместо 15 Вт, потребляемых лампой накаливания;
- улучшение светотехнических параметров, таких как дальность видимости и различимость сигнального показания светофоров, что ведет к повышению безопасности движения, улучшению условий труда машинистов;
- монтаж на существующие несущие конструкции.
В состав головки светодиодной входят:
- корпус;
- защитное ударопрочное стекло;
- светодиодная матрица с линзами Френеля;
- печатная плата с резисторами;
Козырек, фоновый щит, установочные элементы поставляются в соответствии с комплектацией светофора.
-
Виды светодиодных светофоров
Специфически светодиодные:
Похожи на уличные светодиодные светофоры. В них каждый сигнальный комплект представляет собой плоскую матрицу со светодиодами, фокусировка луча происходит для каждого светодиода отдельно встроенной в светодиод линзой. Достоинства такого светофора — очень хорошая устойчивость к разбиванию сигнальных комплектов хулиганами, так как матрица защищена каким-либо прочным прозрачным материалом, резкость и чёткая видимость показаний начиная со средних расстояний — оба достоинства особенно ценны в городе. Также в некоторых случаях (в случае крутых кривых) достоинством является, безусловно, довольно широкий угол видимости — в других случаях это скорее недостаток. Основной же недостаток такой конструкции — безусловно, раздражающий и часто даже слепящий эффект матрицы на близких расстояниях — обратная сторона особо четкой видимости на средних расстояниях. Это зависит не только и не столько от числа светодиодов и суммарной яркости луча, сколько от диаметра линзы и соответственно яркости видимого диска каждого светодиода — при увеличении диаметра линз вплоть до их смыкания между собой этот нежелательный эффект исчезает.
Линзовые:
Подобны ламповым линзовым светофорам, и отличаются от них принципиально только тем, что все их линзы бесцветны. Это могут быть как специально разработанные линзовые комплекты для светодиодов, так и обычные ламповые линзовые светофоры, в которых вместо лампы установлен замещающий светодиодный комплект, испускающий в целом свет в широкий сектор, покрывающий всю площадь линзы, а вместо цветной линзы — бесцветная. Такие светофоры от ламповых отличаются только оттенком цвета, характером мигания и в некоторой степени — углом расхождения луча — из-за отличия эффективных размеров собственно источника света. Такой светофор, конечно, не отличается от лампового стойкостью к хулиганам, но весьма экономичен и практически не требует обслуживания, кроме мытья загрязненных и запыленных линз (в то время как срок службы постоянно горящих ламп в светофорах всего около 2000 ч).
Расположение светофоров:
По расположению светофоры различают мачтовые, то есть имеющие собственную мачту, подвесные или консольные, то есть установленные на какой-либо конструкции над путями, карликовые, то есть расположенные на небольшой высоте над землей, как правило, на бетонном блоке или низком столбике, а также тоннельные, закрепленные на стене тоннеля. Изредка встречаются и какие-либо особые способы крепления светофоров. Карликовые светофоры дешевле, а также из-за своих габаритов требуют меньшего расстояния между путями, что позволяет часто выиграть несколько метров в длинах путей. Но в целом принято считать, что они обладают несколько худшей видимостью, могут быть перекрыты ходящими по путям людьми, заметены снегом и т. д. Однако при прохождении железной дороги в освещенной городской застройке ночью часто как раз высоко расположенные светофоры оказываются хуже видимыми.
Форма щита:
Характерной чертой железнодорожных светофоров (кроме большинства стесненных негабаритами карликовых и тоннельных) является наличие очень больших по сравнению с диаметром огней фоновых щитов, практически всегда черных, иногда с каймой иного цвета. Часто форма щита каким-либо образом указывает на тип светофора или особенности его значения. Также для таких целей часто используется раскраска мачты. В России формой щита (ромб или квадрат, повернутый диагональю вертикально, в отличие от щитов другой формы — круглых, прямоугольных, овальных) отличаются только повторительные и заградительные светофоры, причем последние также отличаются чёрно-белой спирально-полосатой окраской мачты. Также для линзовых светофоров России, а в ещё большей степени для старых линзовых светофоров до 80-х годов выпуска характерны весьма длинные козырьки над каждым линзовым комплектом.
-
Основные работы по обслуживанию светофоров со светодиодными модулями
Светофоры со светодиодными модулями (системами) обслуживаются один раз в год и после замены светодиодных модулей, аппаратуры питания, монтажа кабеля, светофора и по замечаниям машиниста. Смена светодиодных модулей светофоров и маршрутных указателей проводится при перегорании 30% светодиодов или не обеспечении нормальной видимости подаваемого сигнала. Изменение напряжения на светодиодных модулях светофоров проводится после смены светодиодных модулей, аппаратуры питания, монтажа, кабеля, светофора. Изменение напряжения на лампах или светодиодных модулях светофоров при аварийном питании (по постоянному току) проводится один раз в год при классификации железнодорожных линий и станций 1 и 2, и один раз в два года при классификации 3,4,5. Чистка светодиодных модулей проводится по результатам видимости или по замечаниям машиниста.
Рисунок 9 – Модуль СЖДМ
Измерение напряжения питания светодиодных головок переездных и заградительных светофоров проводится один раз в год.
Каждая светофорная лампа (светодиодный модуль) перед установкой в действующие устройства должна пройти контроль и иметь маркировку с номером и датой (месяц и год) проверки.
Светодиодный модуль подлежит замене, если не обеспечивается установленное ПТЭ минимальное расстояние отчетливой видимости сигнального огня светофора или показания маршрутного указателя.
Напряжение питания светодиодных модулей светофоров и световых указателей должно быть в пределах, указанных в таблице №1.
Тип светодиодного модуля
|
Изготовитель
|
Род тока
|
Напряжение (ток) питания
|
СССМ-200-1(Ж);(З);(К)
|
ЗАО НПО «РоСАТ»
|
переменный
|
11,0÷13,2 В
|
ССС-Ж;З;К
|
ЗАО «Транс-Сигнал»
|
Переменный
|
10,5÷12,0 В
|
СЖДМ1-01(Ж); СЖДМ1-02(З); СЖДМ1-03(к)
|
ФГУП «ПО УОМЗ»
|
Постоянный
|
(150÷200 мА)
|
Светодиодные маршрутные указатели (буквенные, цифровые, положения)
|
ЗАО «Танс-Сигнл»
|
Переменный
|
198÷242 В(день) 99÷121 В(ночь)
|
Таблица 1 – Напряжение питания светодиодных модулей светофоров и световых указателей
Видимость огней заградительных и переездных светофоров проверяют при питании ламп (светодиодных модулей) как переменным, так и постоянным (от аккумуляторной батареи) током.
|
