輕型鎧裝光纜的研制

1、設(shè)計要求

根據(jù)使用環(huán)境, 光纜可簡單地分為室內(nèi)光纜和戶外光纜。目前既可滿足在室內(nèi)使用又可在條件惡劣的戶外使用的光纜比較少, 而本文介紹的輕型鎧裝光纜就是一個比較好的解決方案。本產(chǎn)品不僅能滿足室內(nèi)環(huán)境所要求的阻燃和彎曲性能, 又能滿足戶外環(huán)境所要求的高機械和環(huán)境性能, 具有柔軟、抗張強度大、衰減小、穩(wěn)定性好、機動性高等特點, 與同類產(chǎn)品相比尺寸更小、重量更輕及彎曲性能更好, 既可采用固定的方式進行敷設(shè), 也可采用收放的方式進行重復(fù)使用。根據(jù)輕型鎧裝光纜的使用條件, 筆者所設(shè)計的單模兩芯輕型鎧裝光纜( 以下簡稱單模兩芯光纜) 應(yīng)滿足如表1 所示的主要技術(shù)指標(biāo)。

表1 單模兩芯光纜的主要技術(shù)要求

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇

為滿足上述單模兩芯光纜的設(shè)計要求, 筆者所設(shè)計光纜結(jié)構(gòu)采用了絞合式圓形對稱結(jié)構(gòu), 即星型絞合結(jié)構(gòu), 其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。光纜的纜芯采用兩根緊包光纖( 分色) 和兩根填芯呈星形絞合在一根中心元件周圍, 這樣絞合的纜芯穩(wěn)定、緊湊和圓整; 加強件呈螺旋狀絞合在纜芯周圍, 既能起抗拉作用又具有柔性增強作用; 在纜芯外擠包一層內(nèi)護套, 內(nèi)護套選用支撐性能比較好的材料; 在內(nèi)護套外鎧裝金屬層, 用來增強光纜的抗拉強度, 提高光纜抗側(cè)壓、防鼠咬和電磁屏蔽等性能; 在鎧裝金屬層外擠包一層外護套, 外護套選用耐磨性能比較好的材料。

2. 1 緊包光纖

緊包結(jié)構(gòu)光纖具有結(jié)構(gòu)緊湊、外徑小、重量輕、柔軟可繞、耐彎折、耐環(huán)境性能好等特點, 而單模兩芯光纜要滿足尺寸小、重量輕及耐彎曲等要求, 故采用了緊包結(jié)構(gòu)的光纖。由于單模兩芯光纜要在惡劣的環(huán)境條件下使用, 而緊包光纖的優(yōu)劣直接影響到光纜的性能, 因此緊包光纖的性能至關(guān)重要。緊包光纖的設(shè)計主要是從材料選擇、尺寸設(shè)計、模具設(shè)計和工藝參數(shù)選擇等幾方面來考慮。為了滿足尺寸小的特殊要求, 單模兩芯光纜選用了直徑為0. 6 mm 的緊包光纖, 其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。常用的緊包材料有PV C、Hyt rel、ZPE( 阻燃聚乙烯) 和PA( 聚酰胺, 俗稱尼龍) 等。經(jīng)過反復(fù)的試驗摸索、對比和分析, 光纖緊包材料zui終選用了PA, 其熔點時的黏度較低, 且流動性非常好, 可提高光纖抗微彎和拉伸等性能, 并對光纖有堅固的保護作用。為改善緊包光纖的溫度性能及對應(yīng)力的緩沖和吸收, zui低限度地降低緊包材料收縮對光纖性能的影響, 在緊包光纖內(nèi)設(shè)計一層緩沖層, 緩沖層選用流動性好、能快速固化、低模量、柔軟性好的材料。緩沖層和緊包層的復(fù)合結(jié)構(gòu), 可降低因機械和環(huán)境應(yīng)力所產(chǎn)生的微彎附加損耗, 試驗及實際使用情況證明, 采用合適的緊包技術(shù)的光纜性能更加穩(wěn)定優(yōu)異。

2. 2  加強件

光纜的抗拉強度主要是通過加強件來實現(xiàn)的,故加強件的設(shè)計至關(guān)重要。加強件設(shè)計主要從加強件材料的特性、強度計算、制造工藝等方面來考慮。加強件可以起到承力和柔性增強的作用, 與之有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)zui主要是拉伸負(fù)荷和抗壓, 其它的機械性能如抗沖擊、抗扭彎等均應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇過程中予以充分的考慮。通過反復(fù)試驗摸索、對比和分析, 加強件選用了芳綸纖維中高彈性模量的Kev lar 49, 其單絲彈性模量為110 GPa 以上, 斷裂延伸率極小(≤ 2. 5% ) , 可以有效地抑制光纖產(chǎn)生應(yīng)變。芳綸纖維還具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點。

目前商用單模光纖篩選應(yīng)力σp ≥100 kpsi( 0. 689 GPa, 即1% 的篩選應(yīng)變) , 當(dāng)長期使用應(yīng)力σ長= σp / 5時, 光纖使用壽命可達20 年以上。為保證光傳輸性能的可靠性, 確保光纜的使用壽命, 必須要將光纜內(nèi)光纖的應(yīng)變控制在0. 2% 以內(nèi), 即光纖的應(yīng)變必須遠(yuǎn)小于光纜的應(yīng)變, 故合理設(shè)計光纖的絞合節(jié)距與芳綸纖維的絞合節(jié)距是關(guān)鍵。光纜的強度不僅取決于芳綸纖維的用量, 其加工工藝、強度安全系數(shù)及光纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計等因素在光纜設(shè)計中也必須全面考慮。通過調(diào)整芳綸纖維的絞合節(jié)距和保持放線張力的一致性等方法, 提高芳綸纖維強度利用率,來保證在減少芳綸纖維用量的同時, 使光纜的抗拉強度仍能得到充分保證。芳綸纖維實際用量是在理論計算芳綸纖維用量的基礎(chǔ)上, 再適當(dāng)增加一定的富余量。芳綸用量的計算公式為: F= εE A, N = Aρ/直徑, D 為屏蔽層直徑, m 為錠子總數(shù), n 為每錠單線根數(shù)。

2. 5 外護套

光纜外護套主要起保護纜芯的作用, 隔離外部環(huán)境對纜芯的影響。由于單模兩芯光纜要進行反復(fù)收放, 故光纜在使用過程中將遭受各種復(fù)雜嚴(yán)酷的作用力, 這就要求外護套材料具有優(yōu)異的耐磨性能,同時能滿足柔軟性、耐腐蝕、防水、阻燃等特性。經(jīng)過反復(fù)試驗摸索、比較和分析, 單模兩芯光纜的外護套材料選用了阻燃聚醚型聚氨酯, 與其它外護套材料相比, 它具有高耐磨性、優(yōu)異的低溫柔軟性、良好的韌性、良好的阻燃性、良好的抗化學(xué)腐蝕性和抗水解性等, 能適應(yīng)在各種惡劣環(huán)境中進行反復(fù)收放, 保證光纜在使用過程中的穩(wěn)定性和可靠性。

3、 性能測試

我們對研制出的單模兩芯光纜進行了各項性能測試, 其結(jié)果為: 外徑6. 05 mm, 線質(zhì)量44. 7 kg/km, 在1 310 nm 工作波長下光纖zui大衰減系數(shù)為0. 338 dB/ km, 在1 550 nm 工作波長下光纖zui大衰減系數(shù)為0. 203 dB/ km。機械和環(huán)境性能測試結(jié)果見表2。通過各項測試, 單模兩芯光纜的各項性能指標(biāo)均達到設(shè)計要求, 可反復(fù)收放使用。