輕型鎧裝光纜的研制

1、設計要求

根據使用環境, 光纜可簡單地分為室內光纜和戶外光纜。目前既可滿足在室內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。本產品不僅能滿足室內環境所要求的阻燃和彎曲性能, 又能滿足戶外環境所要求的高機械和環境性能, 具有柔軟、抗張強度大、衰減小、穩定性好、機動性高等特點, 與同類產品相比尺寸更小、重量更輕及彎曲性能更好, 既可采用固定的方式進行敷設, 也可采用收放的方式進行重復使用。根據輕型鎧裝光纜的使用條件, 筆者所設計的單模兩芯輕型鎧裝光纜( 以下簡稱單模兩芯光纜) 應滿足如表1 所示的主要技術指標。

表1 單模兩芯光纜的主要技術要求

2、結構設計和材料選擇

為滿足上述單模兩芯光纜的設計要求, 筆者所設計光纜結構采用了絞合式圓形對稱結構, 即星型絞合結構, 其結構如圖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護套, 內護套選用支撐性能比較好的材料; 在內護套外鎧裝金屬層, 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

緊包結構光纖具有結構緊湊、外徑小、重量輕、柔軟可繞、耐彎折、耐環境性能好等特點, 而單模兩芯光纜要滿足尺寸小、重量輕及耐彎曲等要求, 故采用了緊包結構的光纖。由于單模兩芯光纜要在惡劣的環境條件下使用, 而緊包光纖的優劣直接影響到光纜的性能, 因此緊包光纖的性能至關重要。緊包光纖的設計主要是從材料選擇、尺寸設計、模具設計和工藝參數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, 其結構如圖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。經過反復的試驗摸索、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, 在緊包光纖內設計一層緩沖層, 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合結構, 可降低因機械和環境應力所產生的微彎附加損耗, 試驗及實際使用情況證明, 采用合適的緊包技術的光纜性能更加穩定優異。

2. 2  加強件

光纜的抗拉強度主要是通過加強件來實現的,故加強件的設計至關重要。加強件設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, 與之有關的技術指標zui主要是拉伸負荷和抗壓, 其它的機械性能如抗沖擊、抗扭彎等均應在結構設計和材料選擇過程中予以充分的考慮。通過反復試驗摸索、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生應變。芳綸纖維還具有優異的熱穩定性和化學穩定性等優點。

目前商用單模光纖篩選應力σp ≥100 kpsi( 0. 689 GPa, 即1% 的篩選應變) , 當長期使用應力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, 必須要將光纜內光纖的應變控制在0. 2% 以內, 即光纖的應變必須遠小于光纜的應變, 故合理設計光纖的絞合節距與芳綸纖維的絞合節距是關鍵。光纜的強度不僅取決于芳綸纖維的用量, 其加工工藝、強度安全系數及光纜的結構設計等因素在光纜設計中也必須全面考慮。通過調整芳綸纖維的絞合節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上, 再適當增加一定的富余量。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, n 為每錠單線根數。

2. 5 外護套

光纜外護套主要起保護纜芯的作用, 隔離外部環境對纜芯的影響。由于單模兩芯光纜要進行反復收放, 故光纜在使用過程中將遭受各種復雜嚴酷的作用力, 這就要求外護套材料具有優異的耐磨性能,同時能滿足柔軟性、耐腐蝕、防水、阻燃等特性。經過反復試驗摸索、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、優異的低溫柔軟性、良好的韌性、良好的阻燃性、良好的抗化學腐蝕性和抗水解性等, 能適應在各種惡劣環境中進行反復收放, 保證光纜在使用過程中的穩定性和可靠性。

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, 其結果為: 外徑6. 05 mm, 線質量44. 7 kg/km, 在1 310 nm 工作波長下光纖zui大衰減系數為0. 338 dB/ km, 在1 550 nm 工作波長下光纖zui大衰減系數為0. 203 dB/ km。機械和環境性能測試結果見表2。通過各項測試, 單模兩芯光纜的各項性能指標均達到設計要求, 可反復收放使用。