Путевые оптические каналы и устройства

Тема лекции 2

Путевые оптические каналы и устройства

Для обеспечения безопасности, организации движения поездов и маневровой работы на железнодорожном транспорте применяется опре­деленная система передачи информации по оптическим каналам с по­мощью специальных сигнальных устройств, которые должны обеспе­чивать простоту восприятия, быстроту опознавания и достаточную дальность видимости оптической информации. Сигнальные показания, назначение и места расположения сигнальных устройств регламенти­руются Инструкцией по сигнализации на железных дорогах Казахстана.

Сигнальные приборы ограждают определенные участки пути, раз­дельные пункты или железнодорожные сооружения и передают ма­шинистам приближающихся поездов информацию о допустимой скоро­сти движения, состоянии впереди лежащих блок-участков, маршруте следования на станцию и т. д. В качестве постоянных сигналов приме­няются светофоры. Светофоры служат для регулирования движения по­ездов посредством световых сигналов.

Сигналы светофоров должны восприниматься на достаточном расстоянии, как днем, так и ночью при самых неблагоприятных атмосфер­ных условиях. В связи с наметившейся тенденцией роста скорости и массы поездов повышаются требования к надежности передаваемой сигналами ин­формации и появляется необходимость в увеличении ее объема.

В современных системах оптической сигнализации для кодирования передаваемой информации применяется несколько отличительных фи­зических признаков: цвет, режим горения, число и взаимное располо­жение огней светофоров. В железнодорожной сигнализации исполь­зуются три основных (красный, желтый, зеленый) и два дополнительных (белый и синий) цвета.

Для увеличения объема передаваемой информации используется два режима горения светофорных огней: непрерывный и мигающий. Число одновременно горящих огней, как правило, не более двух. Од­нако в последнее время на транспорте применяются сигналы, содержа­щие три огня, а также дополнительные сигналы в виде одной или двух зеленых светящихся полос. Признак взаимного расположения огней в сигнализации представлен использованием дополнительной зеленой по­лосы, собранной из трех горизонтально расположенных, оптических линзовых комплектов карликовых светофоров, укрепленных на рас­стоянии 0,8—1 м ниже основных огней входного светофора.

Рекомендуемые материалы

На базе светофорной сигнализации строится «Единая скоростная система сигнализации». В этой системе каждому сигнальному показа­нию светофора соответствует максимально допустимая скорость, с которой можно проехать ось данного и следующего светофора. Для реа­лизации разрешающих показаний в многоступенчатой сигнализации применяются не только желтый и зеленый цвета с непрерывным режи­мом горения, но и введены мигающие огни этих цветов с частотой ми­гания в пределах 40—60 и 100—120 в 1 мин.

Максимальная скорость для пассажирских поездов установлена в пределах 120—160 км/ч, для грузовых—90—100 км/ч. У желтого сигнала на перегоне и при приеме на боковой путь станции по стрелкам с крестовинами марок 1/9 и 1/11 требуется снижение скорости до 40—50 км/ч. При движении с от­клонением по стрелочным переводам с крестовинами пологих марок 1/18 и 1/22 скорость снижается соответственно до 80 и 120 км/ч.

Основные показания оптической сигнализации, их условное обо­значение, передаваемая информация и место применения представлены в Инструкции по сигнализации на железных дорогах Казахстана.

Показания светофора являются приказом и подлежат беспрекос­ловному выполнению. Нормальным показанием проходных светофоров АБ является   разрешающее, всех остальных постоянных сигналов – запрещающее.

Для создания надежных и экономичных световых сигналов необ­ходимо использовать оптические системы, концентрирующие часть све­тового потока, т. е. увеличивающие силу света в определенном направ­лении.

Способность увеличивать силу света характеризуется коэффициен­том усиления оптики

К_у =I₂  / I₁ ,

где     I₂ — сила  света  пучка,  вышедшего  из оптики; I₁ — сила   света,   падающего   от  источника   света.

Если перед линзой поместить источник света, дающий силу света I₁, то от него на линзу упадет световой поток

Проходя через линзу, лучи преломляются и выходят в виде более узкого пучка с силой света I₂ в телесном углу   , представленном ли­нейным углом рассеяния   .

Коэффициент усиления повышает­ся с возрастанием угла охвата и уменьшением угла рассеяния оптики.

Коэффициент усиления можно также выразить через диаметры линзы D и источника света d:

К_у = К_л = D²/ d²

Отсюда видно, что для получения большего усиления необходимо увеличивать диаметр линзы и уменьшать размеры источника света. Именно поэтому в световых сигналах применяют точечные лампы, у которых нить накала укорочена и приближается к размерам точки.

В оптических каналах железнодорожной сигнализации, добиваясь большого коэффициента усиления оптики, необходимо также исклю­чить возможность ложного восприятия сигнала вследствие отражения внешних световых потоков. Эти два обстоятельства и являются опре­деляющими при выборе оптических систем.

В инженерной оптике применяются три разновидности оптических систем: преломляющая (линзовая), отражательная (рефлекторная) и смешанная (линзово-рефлекторная).

Линзовая оптика содержит источник света и линзу. Она не может дать большого коэффициента усиления, так как имеет небольшой угол охвата. Однако линзовая оптика практически исключает ложное вос­приятие сигнала. Единственным источником ложного отраженного сигнала может служить только стеклянная поверхность баллона элект­рической лампочки, от которого возможно отражение солнечных лучей, попавших внутрь головки светофора извне. Так как головка светофора окрашивается внутри черным цветом, сила света отраженных лучей будет мала. Из-за высокой безопасности в отношении появления лож­ного сигнала линзовая оптика получила преимущественное распрост­ранение на железнодорожном транспорте.

Отражательная оптика содержит источник света и зеркальный реф­лектор, позволяющие получить большие углы охвата и, следователь­но, высокий коэффициент усиления. Однако высокая отражательная способность рефлектора приводит к возможности возникновения лож­ных сигналов вследствие отражения солнечных или других лучей. Поэтому данный вид оптики в железнодорожных сигналах не приме­няется.

Смешанная оптика сочетает преимущества линзовой и отражатель­ной систем. Кроме источника света, светофильтра и преломляющих линз, она содержит зеркальный рефлектор, наличие которого позволя­ет повысить использование светового потока лампы. Светофильтр в смешанной оптической системе может быть гораздо меньших размеров, чем в линзовой оптике. Это позволяет осуществить автоматическую смену положения светофильтров для изменения сигнальных показа­ний светофора. Появление ложного сигнала исключено тем, что при отражении рефлектором лучей от внешних источников света показание светофора будет определяться цветом установленного в данный момент светофильтра. Смешанная оптика применяется в прожекторных све­тофорах.

По оптической системе светофоры подразделяются на линзовые и прожекторные. Линзовый светофор для каждого сигнального показания имеет отдельную опти­ческую систему—линзовый комплект. Прожекторный светофор имеет оптическую систему, совмещенную со специальным механизмом, который позволяет при одной оптической системе получить три различных по цвету сигнальных показания. Ввиду сложности конструкции и меньшей надежности по сравнению с линзовыми свето­форами принято решение не применять прожекторные светофоры при новом строительстве и заменять их при реконструкции устройств СЦБ на станциях и перегонах.

В зависимости от местных условий светофоры могут быть мачтовые  (рис. 2.12,а), карликовые  (рис. 2.12,б) и кон­сольные  (рис. 2.12,в). Мачтовые светофоры устанавлива­ются на перегонах, главных путях станций и на боковых путях, по которым осуществляется безостановочный пропуск поездов со скоростью более 40 км/ч. Учитывая, что мачтовые светофоры ограничивают полезную длину приемо-отправочных путей и увеличивают стоимость строительства, их применение ограничивается. Карли­ковые светофоры используют на станциях в качестве выходных  (см. рис. 2.12, б) с путей, по которым не преду­сматривается безостановочный пропуск поездов, и ма­невровых. Консольные светофоры применяют там, где  (см. рис. 2.12, б) по условиям габарита нельзя установить светофор в междупутье.

Рис. 2.12. Светофоры

Все светофоры располагают, как правило, с правой стороны по направлению движения или над осью ограж­даемого пути. С левой стороны могут быть расположе­ны входные карликовые светофоры для приема поездов по неправильному пути и недостаточной ширине меж­дупутья, двусторонние групповые светофоры, установка которых с правой стороны невозможна.

Мачтовый линзовый светофор  (см. рис. 2.12, а) состоит из мачты 1 (железобетонной или металлической), на которой укрепляют одну или несколько светофорных головок со щитами 3 и козырьками 4. Железобетонные мачты, представляющие собой полые конические бес­стыковые стойки длиной 8 или 10 м, устанавливают в грунт на глубину 1800—2200 мм. Металлические мачты используют тогда, когда светофоры с железобетонными мачтами нельзя применить по условиям габарита или длина их недостаточна для установки требуемого коли­чества светофорных головок и указателей. Металличес­кие мачты закрепляют в стяжных стаканах, размещае­мых на бетонных фундаментах.

На станциях с пологими марками стрелочных крес­товин 1/18, 1/22 на входных светофорах устанавливают световую полосу зеленого цвета 2, которая состоит из чугунного корпуса, на передней стороне которого име­ются три линзовых комплекта с зелеными светофильтрами. Такая световая по­лоса размещается на спе­циальных   кронштейнах под нижней двузначной головкой светофора.

Светофорные головки по числу сигнальных по­казаний  бывают одно­значными, двузначными или трехзначными. Для получения более трех сиг­нальных показаний на мачте устанавливают не­сколько светофорных го­ловок.

Трехзначная светофор­ная головка  (рис. 2.13) со­стоит из чугунного корпу­са 1 с дверцей 2, трех линзовых    комплектов, разделенных внутри кор­пуса   перегородками 3, исключающими возмож­ность проникновения све­та от горящей лампы со­седнего комплекта, ко­зырьков 8, предотвраща­ющих попадание в линзо­вые комплекты солнечных лучей и появление лож­ной сигнализации свето­фора, колодок 9 для подключения проводов.

Рис. 2.13. Головка светофора с линзовыми комплектами

Для улучшения видимости сигнальных огней на кор­пусе светофорной головки устанавливается черного цве­та фоновый щит 3  (см. рис. 2.12, а) овальной формы или круглой у однозначной светофорной головки.

Основной частью светофорной головки является лин­зовый комплект, который состоит из корпуса 6, наруж­ной бесцветной ступенчатой линзы 10, линзы светофиль­тра 5 красного, зеленого, желтого, синего или белого цвета, ламподержателя 4 с лампой накаливания мощно­стью 15, 25 или 35 Вт на напряжение 12 В.

Нить светофорной лампы находится в фокусе линз комплекта. За счет ступенчатых линз концентрируется световой поток электрической, лампы. Световой поток, проходящий через линзу-светофильтр, окрашивается, а проходя через бесцветную линзу, преобразуется в сиг­нальный луч с малым углом рассеивания.

При установке светофоров на кривых участках пути видимость светофора обеспечивается установкой в лин­зовый комплект перед наружной линзой рассеивающе­го стекла 7 с углом рассеивания 10 или 20°.

На стекло наносится стрелка, показывающая на­правление отклонения светового луча. Стекло устанав­ливают так, чтобы стрелка была направлена в сторону кривой. В линзовых комплектах с рассеивающими стек­лами используют лампы мощностью 25 Вт.

Карликовый линзовый светофор  (см. рис. 2.12,б) не имеет мачты и состоит из светофорной головки с линзо­выми комплектами без фонового щита, устанавливае­мой непосредственно на бетонный фундамент. В линзо­вых комплектах карликовых светофоров используют линзы меньшего диаметра, а отклоняющую вставку ус­танавливают между линзами. В остальном линзовые комплекты карликовых светофоров имеют такое же устройство, что и мачтовые.

Разработана новая линзовая светофорная головка из силумина с ламподержателем для установки двухспиральных светофорных ламп.

Прожекторная светофорная головка представляет собой чугунный корпус, с одной стороны которого ук­реплены плоско-выпуклая линза, круглый фоновый щит и козырек, а с другой — дверца.

Внутри корпуса устанавливается сигнальный меха­низм  (рис. 2.14), имеющий магнитоэлектрическую систему с постоянными магнитами 8, 9, 10 и 11 и оптическую си­стему. Оптическая система состоит из плоско-выпуклой бесцветной линзы и зеркального рефлектора 5. Электри­ческая лампа располагается в первом фокусе рефлекто­ра, а во втором фокусе — светофильтры подвижной рамки 4. Лучи светового потока лампы отражаются от стенок рефлектора и концентрируются во втором его фокусе, где проходят через цветной светофильтр и попа­дают сначала на внутреннюю 3, а затем на наружную 1 линзу и направляются вдоль пути с небольшим углом рассеивания — 2—3°. Часть лучей отклоняется отклоня­ющей вставкой 2 под углом 40° вниз для лучшей види­мости сигнала на близком расстоянии.

Рис. 2.14. Устройство прожекторного светофора

На круглом якоре поляризованного реле, который связан с контактной системой (на чертеже не показа­но), укреплены катушка 7 и секторы 6 и 12. На секто­ре 6 находится рамка с тремя светофильтрами — круглыми стеклами красного, желтого и зеленого цветов.

В прожекторном светофоре используются лампы ма­лой мощности 5 или 10 Вт при напряжении 10 В.

Так как в прожекторном светофоре не исключено заедание якоря со светофильтрами (например, при попадании молнии в светофор) эти светофоры нашли ограниченное применение. 

Красные, желтые и зеленые сигнальные огни свето­форов на прямых участках пути должны быть днем и ночью отчетливо различимы из кабины управления ло­комотива на расстоянии не менее 1000 м.

На кривых участках эти сигналы должны быть от­четливо различимы на расстоянии не менее 400 м. В сильно пересеченной местности (горы, глубокие выем­ки) допускается видимость этих сигналов на расстоянии не менее 200 м; Показания выходных и маршрутных светофоров главных путей должны быть отчетливо раз­личимы на расстоянии не менее 400 м, выходных и маршрутных светофоров боковых путей, а также при­гласительных сигналов и маневровых светофоров — на расстоянии не менее 200 м.

Основными цветами, принятыми для сигнализации светофоров, являются красный, желтый и зеленый.

Зеленый цвет разрешает движение с установленной скоростью; желтый разрешает движение и требует уменьшения скорости; красный требует остановки.

Для организации маневровой работы применяют следующие сигнальные цвета: белый разрешает манев­ровое движение, синий запрещает производить маневры.

В связи с повышением скоростей движения поездов сигнализация приобретает скоростной характер: сиг­нальные показания не только разрешают или запреща­ют движение поездов, но и указывают их скорость.

Для получения необходимого числа сигнальных по­казаний используются цвет, количество огней, характер их горения и взаимное расположение.

Светофоры по назначению подразделяются на вход­ные, выходные, маршрутные, проходные, прикрытия, за­градительные, предупредительные, повторительные, ма­невровые, локомотивные и горочные.

На качество работы оптических каналов большое значение оказы­вает технология изготовления линз. Следует иметь в виду, что в плос­косферических линзах имеет место явление сферической аберрации, которое заключается в наличии нескольких фокусов концентрации пре­ломленного луча, попадающего на отдельные участки линзы. В резуль­тате проявления сферической аберрации резко ухудшается работа светооптической системы, в частности, уменьшается сила света сигналь­ного прибора и дальность его видимости.

Сферическую аберрацию, можно свести к минимуму, если исполь­зовать линзы специальной асферической формы, обеспечить однород­ность материала, из которого они изготовляются, и качественную шли­фовку их поверхности. Однако такие линзы получаются громоздкими и дорогими и потому не нашли применения на железнодорожном тран­спорте.

Бесплатная лекция: "8 Создание Web-страниц с помощью Word" также доступна.

Необходимость уменьшения аберрации вызвала появление ступен­чатых линз. Профиль ступенчатых линз строят путем параллельного переноса элементов поверхности асферической линзы, чем достигается сохранение оптических свойств линзы и уменьшается ее масса. Отдельные элементы такой линзы не повторяют в точности проектируемую поверхность, а заменяются элементами сферических поверхностей с усредненными радиусами кривизны. Ступенчатые лин­зы имеют значительно меньшие потери светового потока в стекле и мо­гут быть изготовлены прессованием, что снижает их стоимость.

Для получения высокой прозрачности применяется специальный химический состав стекла для изготовления бесцветных линз, в кото­рый, кроме песка SiO₂, добавляются примеси окиси железа, натрия, калия и свинца. Оптимальный химический состав и высокотёмпературный режим варки стекла обес­печивает однородность линз. Бес­цветные ступенчатые линзы изго­товляют в металлических прессформах, которые обеспечивают им необходимые геометрические фор­мы и заданную чистоту рабочей поверхности. Стекло линзы долж­но иметь коэффициент преломле­ния не ниже 1,5.

В линзовых светофорах для увеличения угла охвата используются оптические системы из двух сфокусированных линз, образующих линзовый комплект, в котором наружная линза  бесцветная, а внутренняя   цветная.

Если применять одну линзу, то из всего светового потока, излучае­мого лампой, используется только его часть в пределах угла, а остальная часть       пропадает. При установке вблизи лам­пы второй внутренней линзы будет использоваться све­товой поток в пределах большего угла., Линзы подбирают и распо­лагают так, чтобы преломленные внутренней цветной линзой лучи по возможности полностью попадали на наружную линзу и выходили из последней слаборасходящимся световым пучком. При фокусировке лин­зового комплекта нить лампы помещают в фокус линзы, а ось свето­вого пучка направляют перпендикулярно задней плоскости корпуса комплекта. Сила света в линзовом комплекте в большой степени зави­сит от точности фокусировки. Например, при смещении нити накала лампы на 1—2 мм от нормального положения сила света снижается на 20—40 %.

Сила света также существенно зависит от угла рассеивания.

На кривых участках пути с малым радиусом закругления угол рассеивания светового пучка необходимо увеличивать, чтобы обес­печить машинисту непрерывную видимость сигналов светофора. Для этой цели применяют рассеивающие линзы (рассеиватели) с гладкой выпуклой наружной поверхностью и рифленой внутренней. На тран­спорте применяют рассеиватели следующих типов: односторонние (Pl-30, P1-20, Р1-30), обеспечивающие в горизонтальной плоскости рассеивание светового потока на угол соответственно 10, 20 и 30° от оптической оси линзы, а также двусторонние Р2 с углами рассеива­ния в горизонтальной плоскости в одну сторону — 5° и в дру­гую — 25°.