轻型铠装光缆的研制

轻型铠装光缆的研制

1、设计要求

根据使用环境, 光缆可简单地分为室内光缆和户外光缆。目前既可满足在室内使用又可在条件恶劣的户外使用的光缆比较少, 而本文介绍的轻型铠装光缆就是一个比较好的解决方案。本产品不仅能满足室内环境所要求的阻燃和弯曲性能, 又能满足户外环境所要求的高机械和环境性能, 具有柔软、抗张强度大、衰减小、稳定性好、机动性高等特点, 与同类产品相比尺寸更小、重量更轻及弯曲性能更好, 既可采用固定的方式进行敷设, 也可采用收放的方式进行重复使用。根据轻型铠装光缆的使用条件, 笔者所设计的单模两芯轻型铠装光缆( 以下简称单模两芯光缆) 应满足如表1 所示的主要技术指标。

表1 单模两芯光缆的主要技术要求

2、结构设计和材料选择

为满足上述单模两芯光缆的设计要求, 笔者所设计光缆结构采用了绞合式圆形对称结构, 即星型绞合结构, 其结构如图1 所示。光缆的缆芯采用两根紧包光纤( 分色) 和两根填芯呈星形绞合在一根中心元件周围, 这样绞合的缆芯稳定、紧凑和圆整; 加强件呈螺旋状绞合在缆芯周围, 既能起抗拉作用又具有柔性增强作用; 在缆芯外挤包一层内护套, 内护套选用支撑性能比较好的材料; 在内护套外铠装金属层, 用来增强光缆的抗拉强度, 提高光缆抗侧压、防鼠咬和电磁屏蔽等性能; 在铠装金属层外挤包一层外护套, 外护套选用耐磨性能比较好的材料。

2. 1 紧包光纤

紧包结构光纤具有结构紧凑、外径小、重量轻、柔软可绕、耐弯折、耐环境性能好等特点, 而单模两芯光缆要满足尺寸小、重量轻及耐弯曲等要求, 故采用了紧包结构的光纤。由于单模两芯光缆要在恶劣的环境条件下使用, 而紧包光纤的优劣直接影响到光缆的性能, 因此紧包光纤的性能至关重要。紧包光纤的设计主要是从材料选择、尺寸设计、模具设计和工艺参数选择等几方面来考虑。为了满足尺寸小的特殊要求, 单模两芯光缆选用了直径为0. 6 mm 的紧包光纤, 其结构如图2 所示。常用的紧包材料有PV C、Hyt rel、ZPE( 阻燃聚乙烯) 和PA( 聚酰胺, 俗称尼龙) 等。经过反复的试验摸索、对比和分析, 光纤紧包材料zui终选用了PA, 其熔点时的黏度较低, 且流动性非常好, 可提高光纤抗微弯和拉伸等性能, 并对光纤有坚固的保护作用。为改善紧包光纤的温度性能及对应力的缓冲和吸收, zui低限度地降低紧包材料收缩对光纤性能的影响, 在紧包光纤内设计一层缓冲层, 缓冲层选用流动性好、能快速固化、低模量、柔软性好的材料。缓冲层和紧包层的复合结构, 可降低因机械和环境应力所产生的微弯附加损耗, 试验及实际使用情况证明, 采用合适的紧包技术的光缆性能更加稳定优异。

2. 2  加强件

光缆的抗拉强度主要是通过加强件来实现的,故加强件的设计至关重要。加强件设计主要从加强件材料的特性、强度计算、制造工艺等方面来考虑。加强件可以起到承力和柔性增强的作用, 与之有关的技术指标zui主要是拉伸负荷和抗压, 其它的机械性能如抗冲击、抗扭弯等均应在结构设计和材料选择过程中予以充分的考虑。通过反复试验摸索、对比和分析, 加强件选用了芳纶纤维中高弹性模量的Kev lar 49, 其单丝弹性模量为110 GPa 以上, 断裂延伸率极小(≤ 2. 5% ) , 可以有效地抑制光纤产生应变。芳纶纤维还具有优异的热稳定性和化学稳定性等优点。

目前商用单模光纤筛选应力σp ≥100 kpsi( 0. 689 GPa, 即1% 的筛选应变) , 当长期使用应力σ长= σp / 5时, 光纤使用寿命可达20 年以上。为保证光传输性能的可靠性, 确保光缆的使用寿命, 必须要将光缆内光纤的应变控制在0. 2% 以内, 即光纤的应变必须远小于光缆的应变, 故合理设计光纤的绞合节距与芳纶纤维的绞合节距是关键。光缆的强度不仅取决于芳纶纤维的用量, 其加工工艺、强度安全系数及光缆的结构设计等因素在光缆设计中也必须全面考虑。通过调整芳纶纤维的绞合节距和保持放线张力的一致性等方法, 提高芳纶纤维强度利用率,来保证在减少芳纶纤维用量的同时, 使光缆的抗拉强度仍能得到充分保证。芳纶纤维实际用量是在理论计算芳纶纤维用量的基础上, 再适当增加一定的富余量。芳纶用量的计算公式为: F= εE A, N = Aρ/直径, D 为屏蔽层直径, m 为锭子总数, n 为每锭单线根数。

2. 5 外护套

光缆外护套主要起保护缆芯的作用, 隔离外部环境对缆芯的影响。由于单模两芯光缆要进行反复收放, 故光缆在使用过程中将遭受各种复杂严酷的作用力, 这就要求外护套材料具有优异的耐磨性能,同时能满足柔软性、耐腐蚀、防水、阻燃等特性。经过反复试验摸索、比较和分析, 单模两芯光缆的外护套材料选用了阻燃聚醚型聚氨酯, 与其它外护套材料相比, 它具有高耐磨性、优异的低温柔软性、良好的韧性、良好的阻燃性、良好的抗化学腐蚀性和抗水解性等, 能适应在各种恶劣环境中进行反复收放, 保证光缆在使用过程中的稳定性和可靠性。

3、 性能测试

我们对研制出的单模两芯光缆进行了各项性能测试, 其结果为: 外径6. 05 mm, 线质量44. 7 kg/km, 在1 310 nm 工作波长下光纤zui大衰减系数为0. 338 dB/ km, 在1 550 nm 工作波长下光纤zui大衰减系数为0. 203 dB/ km。机械和环境性能测试结果见表2。通过各项测试, 单模两芯光缆的各项性能指标均达到设计要求, 可反复收放使用。