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[摘 要]随着铁路行业的发展，对列车舒适性、可靠性、节能环保等性能指标提出了更高的要求。然而，我国的铁路客车目前均采用传统的荧光灯照明，在节能环保、使用维护以及外观、结构多样性等方面都存在局限性。本文在对我国铁路现状进行分析的基础上，提出了以新的光源形式如节能环保的LED灯具代替传统的荧光灯具的思路，对铁路客车照明状况进行改善。
[关键词]铁路客车；照明现状；改善；LED
中图分类号：U271 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0245-01
一、我國铁路客车照明的现状
目前，我国铁路主干线上的车辆包含25G型、25T型客车车内照明大部分采用的荧光灯照明，其中以XKTD系列统型灯具及荧光灯带为主。常用光源为直管形荧光管，管径多为T8，功率多选用15W，20W， 36W，灯脚采用G13。虽然荧光灯具在铁路客车上的应用已经相当成熟，但也存在一些缺陷：
1、发光效率低，能耗高。荧光灯的发光效率一般只有55～80lm/W。荧光灯的发光是360度的，为了使反方向的光得到利用，常利用反光板进行反射，这无疑增加了材料损耗。一般来说荧光灯的灯具效率只有70%。
2、使用寿命短、维护频率高、维修工作量大。荧光灯的使用寿命一般在8000小时左右，有些国产荧光灯仅有300小时。因为使用寿命的限制，荧光灯管需要经常更换，维护频率高。一个拥有700辆客车的车辆段一般有一万余支灯管和电子镇流器，维护工作量极大，灯管平均一个多月就要换一次。由于逆变器的故障发生率高，需要配备十人以上的专业维修人员，才能勉强满足及时更换的要求。每年用于照明的经费总额一般不低于50万元。由此我们可以看到，客车照明的改善不仅能创造巨大的经济效益，更是适应现代化铁路运输的需要。
3、节能环保性能差。荧光灯容易导致汞污染。我们知道，荧光灯都含有一种有害的物质--汞，0.04毫克以上的汞蒸气就可以让人体在两三个月内慢性中毒，1.2毫克以上则会诱发急性汞中毒，如果含量达到20毫克，就会直接致使动物死亡。而荧光灯的外壳由易碎的玻璃制成，玻璃一旦破碎，汞蒸气就会进入到空气里，周围空气中的汞含量在很短时间内就会超标两千倍，达到20～20mg/m3。
4、外观、内部结构灵活性差。传统荧光管径、长度相对固定，因此外形及内部结构在此基础上固化，安装占用空间大，应用起来就丧失了灵活性。
二、我国铁路列车照明现状的改善
要对我国铁路客车的照明进行改善，建议采用LED灯具代替传统荧光灯。LED光源不仅寿命长，而且具有光效高，且能耗低，抗震性强，环保等一系列优点。LED照明的应用可以降低能耗、提高车内照明的舒适性及可靠性。
1、LED的定义
LED是发光二极管的简称发光二极管（light emitting diode）的简称，它由镓与砷、氮、磷、铟的化合物制成，当电子与空穴复合时能辐射出可见光。
2、LED灯具的优点
1）LED照明灯的能耗低。与传统的照明相比，LED可以减少80%的能耗，同等照度下，耗电量仅为普通照明用具的20%～30%。
2）LED照明灯的使用寿命长。传统照明灯最长的使用寿命不超过8000小时，而LED照明灯的使用寿命则在40000h小时以上，最长可达1000000小时。
3）LED照明灯耐振动和耐冲击性能强。在TB/T 3058-2002《铁路应用 机车车辆设备冲击和振动试验》所规定方向的振动和冲击的幅值下进行试验，产品能保证正常工作，无永久性变形或损坏
4）LED照明灯绿色环保。LED的制作材料没有毒性，不含铅、汞等重金属，不会产生眩光和紫外线辐射，完全符合欧盟ROHS标准，而且可以回收利用。LED灯具是通过环氧树脂完全封装的，内部不存在松动的地方，不易损坏，远比荧光灯和白炽灯坚固耐用。
5）LED照明灯显色性好且应用灵活。显色指数高，白炽灯的显色指数为95，荧光灯为65-80，而LED照明则可以>80另外，LED光源能够以红色、绿色、蓝色等为基础，根据实际需要，辅之以一定的技术便能设置出不同样式的多种图案来，而且可以可以根据需要调整光的亮度和效果。
3 LED照明电路设计
LED照明灯具有调亮度的功能，电源的输入控制方式采取pwm方式，频率为1kHz，电压值为12V（0-2V代表“0”， 7-12V代表“1”），pwm输入端采用BSS138功率管同等参数元器件。电源输出到LED的控制方式也是采用pwm的调光方式，输出频率为1kHz。车辆输入给电源的pwm波定义如下：占空比为100%时，该路灯全部熄灭；占空比为0%时，该路灯为全亮状态。灯内每一路串联LED中加恒流调整器件，每个LED压降为2.9-3.3V。每个LED的有效电流控制在42-45mA。
4 LED光源的选型
LED的驱动与散热是提高LED寿命的关键，相关参数：
1）允许功耗Pm：允许加在LED两端的正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值时，LED发热甚至损坏。（小功率LED芯片0.066W）
2）最大正向直流电流IFm：允许通过LED的正向直流电流的极限值。超过此值时，可损坏LED。（小功率LED芯片20mm）
3）最大反向电压VRm：LED所允许加的最大反向电压。超过此值时，LED可能被击穿损坏。（小功率LED芯片5-6V）
4）工作环境topm：LED可正常工作的环境温度范围。超出此温度范围，LED将不能正常工作，效率会大大降低。（高于55度，效率、寿命会降低）
LED颜色是灯具色温的决定因素，其范围很宽，用在照明上的白光LED色温一般在K=3200-10000K，显色指数（Ra）在70-89之间。 目前用在客室照明主要选以下三种颜色：暖白（色温K=3200±250K）、偏暖白（色温K=4100±250K）、自然白（色温K=6000±250K）。
要实现照明光线连续、无阴影，根据车内断面结构需要两个不同照射方向的光源。根据需要，要求向车体中心方向射出的光是主要照明，向顶板内部射出的光为辅助照明，所以我们选择了不同功率的LED光源来搭配，确保照射到顶板上的光强度是均匀的。主光源选用功率较大的5X5mm的LED，辅助光源选择3x3mm的LED.辅助LED光源的结构原理与主光源一致，详细结构见附图1。
4 LED灯具断面
LED燈体可以根据所处的位置具体制作，断面、长度可以根据空间大小任意确定。灯具断面的设计要求：
1）保证客室的灯光均匀并且不存在暗区；
2）确保客室两条灯带的最远光线要照射到车体中心线；
3）透射照明经过折射照明补充形成。
图2为广九直通车客室LED灯断面。
结束语
将具有时代先进水平的科技成果运用到铁路列车照明中，让我国铁路列车照明与世界同步，这是铁路客运实现现代化的需要，同时由于降低了能耗，减少了维修的工作量和成本，也会创出巨大的经济效益和社会效益。通过现代技术手段，采用先进的元器件，对铁路客车的照明进行改善并不是一件十分困难的事情。然而我们必须清醒的认识到，铁路客车的照明涉及到列车供电系统、内装布置、环境色调、光源照明、灯具安装以及电子镇流器等诸多环节，这就从某种程度上决定了它是一个较为系统的工程。对电路驱动形式进行研究和改善，使其自控、高效，并提高其可靠性和稳定性，将损耗低、可靠性高、价廉物美的电器元器件应用到铁路客车照明领域，从电路设计、LED材料选择、灯具结构三者之间的优化匹配，是从根本上解决当前我国铁路列车照明领域存在的诸多问题。由于采用LED新灯具以后，逆变器不复存在，也就不再有故障频发的可能。灯管损坏率大的问题也就得到了根本的解决，铁路客车的照度和照明质量也得到很大提高。
参考文献
[1] 高健飞；刘文平；胡晓春.铁路车辆LED平面光源照明灯具设计探索[J]，铁道车辆，2009（10）.
[2] 李秀年.浅谈铁路客车技术管理过程中的故障检测和防范措施[J].科技创新导，2014（01）.
[3] 阮志刚；潘伦典.铁路硬座客车客室不同灯具照明状况的调查[J]. 铁道劳动安全卫生与环保，1991（10）.
[关键词]铁路客车；照明现状；改善；LED
中图分类号：U271 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）34-0245-01
一、我國铁路客车照明的现状
目前，我国铁路主干线上的车辆包含25G型、25T型客车车内照明大部分采用的荧光灯照明，其中以XKTD系列统型灯具及荧光灯带为主。常用光源为直管形荧光管，管径多为T8，功率多选用15W，20W， 36W，灯脚采用G13。虽然荧光灯具在铁路客车上的应用已经相当成熟，但也存在一些缺陷：
1、发光效率低，能耗高。荧光灯的发光效率一般只有55～80lm/W。荧光灯的发光是360度的，为了使反方向的光得到利用，常利用反光板进行反射，这无疑增加了材料损耗。一般来说荧光灯的灯具效率只有70%。
2、使用寿命短、维护频率高、维修工作量大。荧光灯的使用寿命一般在8000小时左右，有些国产荧光灯仅有300小时。因为使用寿命的限制，荧光灯管需要经常更换，维护频率高。一个拥有700辆客车的车辆段一般有一万余支灯管和电子镇流器，维护工作量极大，灯管平均一个多月就要换一次。由于逆变器的故障发生率高，需要配备十人以上的专业维修人员，才能勉强满足及时更换的要求。每年用于照明的经费总额一般不低于50万元。由此我们可以看到，客车照明的改善不仅能创造巨大的经济效益，更是适应现代化铁路运输的需要。
3、节能环保性能差。荧光灯容易导致汞污染。我们知道，荧光灯都含有一种有害的物质--汞，0.04毫克以上的汞蒸气就可以让人体在两三个月内慢性中毒，1.2毫克以上则会诱发急性汞中毒，如果含量达到20毫克，就会直接致使动物死亡。而荧光灯的外壳由易碎的玻璃制成，玻璃一旦破碎，汞蒸气就会进入到空气里，周围空气中的汞含量在很短时间内就会超标两千倍，达到20～20mg/m3。
4、外观、内部结构灵活性差。传统荧光管径、长度相对固定，因此外形及内部结构在此基础上固化，安装占用空间大，应用起来就丧失了灵活性。
二、我国铁路列车照明现状的改善
要对我国铁路客车的照明进行改善，建议采用LED灯具代替传统荧光灯。LED光源不仅寿命长，而且具有光效高，且能耗低，抗震性强，环保等一系列优点。LED照明的应用可以降低能耗、提高车内照明的舒适性及可靠性。
1、LED的定义
LED是发光二极管的简称发光二极管（light emitting diode）的简称，它由镓与砷、氮、磷、铟的化合物制成，当电子与空穴复合时能辐射出可见光。
2、LED灯具的优点
1）LED照明灯的能耗低。与传统的照明相比，LED可以减少80%的能耗，同等照度下，耗电量仅为普通照明用具的20%～30%。
2）LED照明灯的使用寿命长。传统照明灯最长的使用寿命不超过8000小时，而LED照明灯的使用寿命则在40000h小时以上，最长可达1000000小时。
3）LED照明灯耐振动和耐冲击性能强。在TB/T 3058-2002《铁路应用 机车车辆设备冲击和振动试验》所规定方向的振动和冲击的幅值下进行试验，产品能保证正常工作，无永久性变形或损坏
4）LED照明灯绿色环保。LED的制作材料没有毒性，不含铅、汞等重金属，不会产生眩光和紫外线辐射，完全符合欧盟ROHS标准，而且可以回收利用。LED灯具是通过环氧树脂完全封装的，内部不存在松动的地方，不易损坏，远比荧光灯和白炽灯坚固耐用。
5）LED照明灯显色性好且应用灵活。显色指数高，白炽灯的显色指数为95，荧光灯为65-80，而LED照明则可以>80另外，LED光源能够以红色、绿色、蓝色等为基础，根据实际需要，辅之以一定的技术便能设置出不同样式的多种图案来，而且可以可以根据需要调整光的亮度和效果。
3 LED照明电路设计
LED照明灯具有调亮度的功能，电源的输入控制方式采取pwm方式，频率为1kHz，电压值为12V（0-2V代表“0”， 7-12V代表“1”），pwm输入端采用BSS138功率管同等参数元器件。电源输出到LED的控制方式也是采用pwm的调光方式，输出频率为1kHz。车辆输入给电源的pwm波定义如下：占空比为100%时，该路灯全部熄灭；占空比为0%时，该路灯为全亮状态。灯内每一路串联LED中加恒流调整器件，每个LED压降为2.9-3.3V。每个LED的有效电流控制在42-45mA。
4 LED光源的选型
LED的驱动与散热是提高LED寿命的关键，相关参数：
1）允许功耗Pm：允许加在LED两端的正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过此值时，LED发热甚至损坏。（小功率LED芯片0.066W）
2）最大正向直流电流IFm：允许通过LED的正向直流电流的极限值。超过此值时，可损坏LED。（小功率LED芯片20mm）
3）最大反向电压VRm：LED所允许加的最大反向电压。超过此值时，LED可能被击穿损坏。（小功率LED芯片5-6V）
4）工作环境topm：LED可正常工作的环境温度范围。超出此温度范围，LED将不能正常工作，效率会大大降低。（高于55度，效率、寿命会降低）
LED颜色是灯具色温的决定因素，其范围很宽，用在照明上的白光LED色温一般在K=3200-10000K，显色指数（Ra）在70-89之间。 目前用在客室照明主要选以下三种颜色：暖白（色温K=3200±250K）、偏暖白（色温K=4100±250K）、自然白（色温K=6000±250K）。
要实现照明光线连续、无阴影，根据车内断面结构需要两个不同照射方向的光源。根据需要，要求向车体中心方向射出的光是主要照明，向顶板内部射出的光为辅助照明，所以我们选择了不同功率的LED光源来搭配，确保照射到顶板上的光强度是均匀的。主光源选用功率较大的5X5mm的LED，辅助光源选择3x3mm的LED.辅助LED光源的结构原理与主光源一致，详细结构见附图1。
4 LED灯具断面
LED燈体可以根据所处的位置具体制作，断面、长度可以根据空间大小任意确定。灯具断面的设计要求：
1）保证客室的灯光均匀并且不存在暗区；
2）确保客室两条灯带的最远光线要照射到车体中心线；
3）透射照明经过折射照明补充形成。
图2为广九直通车客室LED灯断面。
结束语
将具有时代先进水平的科技成果运用到铁路列车照明中，让我国铁路列车照明与世界同步，这是铁路客运实现现代化的需要，同时由于降低了能耗，减少了维修的工作量和成本，也会创出巨大的经济效益和社会效益。通过现代技术手段，采用先进的元器件，对铁路客车的照明进行改善并不是一件十分困难的事情。然而我们必须清醒的认识到，铁路客车的照明涉及到列车供电系统、内装布置、环境色调、光源照明、灯具安装以及电子镇流器等诸多环节，这就从某种程度上决定了它是一个较为系统的工程。对电路驱动形式进行研究和改善，使其自控、高效，并提高其可靠性和稳定性，将损耗低、可靠性高、价廉物美的电器元器件应用到铁路客车照明领域，从电路设计、LED材料选择、灯具结构三者之间的优化匹配，是从根本上解决当前我国铁路列车照明领域存在的诸多问题。由于采用LED新灯具以后，逆变器不复存在，也就不再有故障频发的可能。灯管损坏率大的问题也就得到了根本的解决，铁路客车的照度和照明质量也得到很大提高。
参考文献
[1] 高健飞；刘文平；胡晓春.铁路车辆LED平面光源照明灯具设计探索[J]，铁道车辆，2009（10）.
[2] 李秀年.浅谈铁路客车技术管理过程中的故障检测和防范措施[J].科技创新导，2014（01）.
[3] 阮志刚；潘伦典.铁路硬座客车客室不同灯具照明状况的调查[J]. 铁道劳动安全卫生与环保，1991（10）.