高強(qiáng)度光電綜合線纜強(qiáng)度探討
2019-11-03 10:04:03
供稿：網(wǎng)友
高強(qiáng)度光電綜合線纜強(qiáng)度探討 [摘要]特種光電綜合線因其苛刻的使用環(huán)境和條件，機(jī)械性能和環(huán)境性能要求非常嚴(yán)格，提高纜的強(qiáng)度顯得尤為重要。勞綸纖維作為增強(qiáng)元件由于其眾所周知的特性越來(lái)越受到廣泛的使用，如何提高其強(qiáng)度利用率成為研究關(guān)鍵。本文結(jié)合高強(qiáng)度光電綜合組的研制對(duì)芳綸纖維增強(qiáng)的光纜的結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行闡述，就其應(yīng)力一應(yīng)變特性對(duì)光纜強(qiáng)度進(jìn)行分析。實(shí)踐表明通過(guò)有效的途徑可以提高光級(jí)的機(jī)械強(qiáng)度，保證光纜的安全可靠和使用壽命。 [關(guān)鍵詞]光電綜合纜；強(qiáng)度；芳綸紗；應(yīng)力-應(yīng)變特性1前言 在通信技術(shù)迅猛發(fā)展的當(dāng)今世界，懸吊光纜作為特種光纜因其獨(dú)特的使用功能，在諸多領(lǐng)域獲得了有力地推廣。該類光線不但具備普通光纜的基本特點(diǎn)，最顯著的特征在于能夠在各種苛刻惡劣的環(huán)境和條件下承受足夠大的張力負(fù)荷，而且結(jié)構(gòu)尺寸小，柔軟輕巧，能夠持續(xù)反復(fù)地卷繞收效。懸吊系列光電綜合線不僅要確保大量數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的光纖傳輸及動(dòng)力電源的傳輸暢通無(wú)誤，而且作為纜索同時(shí)承載著高負(fù)荷的載體，因此集三大功能于一體的光電綜合統(tǒng)的強(qiáng)度保障成為研制的首要任務(wù)。 聚芳基酸膠纖維（又名勞綸纖維）作為優(yōu)良的增強(qiáng)元件已受到科研人員的密切關(guān)注，并圍繞著芳綸纖維增強(qiáng)的機(jī)理和成纜工藝展開(kāi)了研究和試驗(yàn)。在系留光纜、吊放光纜、臍帶光纜、拖曳光纜等懸吊系列纜的研制過(guò)程中，我們?cè)趶?qiáng)度研究方面作了大量有益的嘗試和比較，實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)告訴我們，通過(guò)合理有效的途徑可以提高勞綸纖維的強(qiáng)度利用率，以提高光電綜合纜的機(jī)械強(qiáng)度。結(jié)果表明，以芳綸纖維為主要的增強(qiáng)元件，能使高強(qiáng)度光電綜合線取得比較理想的增強(qiáng)效果，強(qiáng)度利用率得到提高。2增強(qiáng)材料的選擇 基于特種光纜在機(jī)械強(qiáng)度上的特殊要求，尤其是光電綜合纜的特別需要，增強(qiáng)元件的選取成為保證光纜強(qiáng)度的關(guān)鍵。 光纜增強(qiáng)元件材料首先考慮的是材料模量及其提供的抗張強(qiáng)度與材料密度的關(guān)系，即所謂的比模量。從單絲截面尺寸和柔軟性比較，以Kevlar49為典型的聚芳基酸胺纖維在保證足夠光纜強(qiáng)度基礎(chǔ)上可令光纜結(jié)構(gòu)尺寸小，質(zhì)地輕柔。石英光纖和銅導(dǎo)線作為傳輸媒質(zhì)在使用過(guò)程中受到各種復(fù)雜應(yīng)力的作用，其允許應(yīng)變量要求光纜的增強(qiáng)材料斷裂伸長(zhǎng)率能控制在較小范圍內(nèi)，而材料熱膨脹系數(shù)又會(huì)影響光纜在高低溫環(huán)境中光纖的附加衰減。從全介質(zhì)光纜角度分析比較增強(qiáng)材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)，以Kevlar49纖維為主的聚芳基酸胺纖維增強(qiáng)元件無(wú)疑是綜合權(quán)衡后的最佳選擇。 聚芳基酞胺增強(qiáng)元件主要有妙型、繩型、棒型等，國(guó)外公司最新研制的阻水型芳綸纖維和Kevlar FRP（即所謂的KRP）仍保持高模量、熱穩(wěn)定、抗蠕變等特性。紗型芳綸纖維模量最高，易于成纜加工，KRP棒則更適于作為光纜中心增強(qiáng)元件，其選用取決于光纜增強(qiáng)的成線方式和結(jié)構(gòu)尺寸。3應(yīng)力-應(yīng)變特性3.1應(yīng)力-應(yīng)變曲線 光電纜的應(yīng)力一應(yīng)變特征主要取決于增強(qiáng)元件的應(yīng)力一應(yīng)變特征，以勞綸纖維為主的增強(qiáng)元件的增強(qiáng)效果設(shè)計(jì)思路可從應(yīng)力-應(yīng)變曲線著手。我們研制的光電綜合纜在高拉伸負(fù)載了持續(xù)性反復(fù)曲繞收放，承受著拉、壓、彎、扭等應(yīng)力的綜合作用，張力負(fù)荷從幾kN至幾十kN，甚至上百kN，這么大的作用力是常規(guī)光纜難想象的，因此設(shè)計(jì)方法與之大相徑庭。 從芳綸纖維的模量值和應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以得出，勞綸纖維是取向良好的結(jié)晶有機(jī)聚合物，具有較大的比模量，而這些纖維制成的紗仍呈現(xiàn)非線性應(yīng)力一應(yīng)變曲線特征，紗的種類、紗的線密度和紗的扭絞都會(huì)影響應(yīng)力- 應(yīng)變曲線的非線性。據(jù)點(diǎn)前為材料高應(yīng)變區(qū)域，試驗(yàn)表明在該區(qū)域光纜的應(yīng)力一應(yīng)變特性也呈相似趨勢(shì)，在光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)避免在此區(qū)域內(nèi)光纜產(chǎn)生過(guò)大應(yīng)變，即減小光纜的初始應(yīng)變。相反，在據(jù)點(diǎn)后的材料低應(yīng)變區(qū)域內(nèi)，光纜設(shè)計(jì)應(yīng)盡量使光纜應(yīng)變特征接近或等效于芳綸纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征。3.2確定模量 光纜設(shè)計(jì)采用加強(qiáng)元件的目的在于避免將對(duì)環(huán)境敏感的光纖作為光纜的主要承載件。光纖能承受的應(yīng)變量一般小于1％，為確保光纖的正常通信和使用壽命，設(shè)計(jì)時(shí)光纖允許應(yīng)變量控制在0.1％～0.2％（視光纜的結(jié)構(gòu)和具體使用情況而定）。光電綜合纜中易產(chǎn)生形變的金屬導(dǎo)線的允許應(yīng)變量同時(shí)也應(yīng)控制在0.1％～0.2％范圍之內(nèi)，方能保證光電傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴Ｒ虼嗽O(shè)計(jì)光纜時(shí)，模量的確定必須依據(jù)各類增強(qiáng)纖維應(yīng)力-應(yīng)變特征曲線中非線性的位置和大小。 光纜設(shè)計(jì)時(shí)光纖應(yīng)變伸長(zhǎng)應(yīng)小于光纜應(yīng)變伸長(zhǎng)，因此可以假設(shè)光纜的應(yīng)變伸長(zhǎng)率等同于加強(qiáng)元件芳綸纖維的伸長(zhǎng)率。指定伸長(zhǎng)率下芳綸纖維（LASE）的承載力可以作為加強(qiáng)元件需用量的參考。 光纜在使用過(guò)程中的實(shí)際應(yīng)變伸長(zhǎng)率因成統(tǒng)節(jié)距和結(jié)構(gòu)應(yīng)力松弛等原因要大于加強(qiáng)元件芳綸纖維的伸長(zhǎng)率，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量綜合考慮各種成纜工藝參數(shù)，使兩者盡量接近。4強(qiáng)度計(jì)算 特種光電綜合纜的強(qiáng)度計(jì)算與常規(guī)光纜有很大區(qū)別。常規(guī)光纜的抗拉強(qiáng)度主要依據(jù)光線安裝敷設(shè)時(shí)較固定的某個(gè)最大允許拉伸力，正常使用時(shí)光纜很少再受外界較大的作用力。而光電綜合纜其反復(fù)曲纜敷設(shè)的使用方式?jīng)Q定了光纜必須在有負(fù)載下運(yùn)作，同時(shí)存在許多不可預(yù)料和難以抗拒的外界作用力，因此光電綜合纜的強(qiáng)度可用負(fù)載強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度分別加以考慮和計(jì)算。4.1負(fù)載強(qiáng)度 負(fù)載強(qiáng)度可以認(rèn)為是光電纜的壽命強(qiáng)度，即光電纜在允許應(yīng)變量的范圍內(nèi)所具備的拉伸強(qiáng)度。光纜的壽命應(yīng)在10～20年以上。光電纜中的光纖與導(dǎo)錢其應(yīng)變量必須控制在0.1％～0.2％范圍內(nèi)，方能確保纜的正常使用壽命。芳綸纖維用量可按一定的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。4.2抗拉強(qiáng)度 抗拉強(qiáng)度可以認(rèn)為是光電纜允許的最大拉伸強(qiáng)度。即光電纜在使用過(guò)程中承受的可以預(yù)計(jì)到的最大外界作用力。在該抗拉強(qiáng)度下光電組仍能保持正常工作，但光電纜的壽命將受到很大影響，所以抗拉強(qiáng)度的確定和強(qiáng)度的保證是十分關(guān)鍵的。 芳綸纖維用量可按下式估算： W=100F／（Eε） 式中，W為芳綸纖維用量；F為光線抗拉強(qiáng)度值，單位N；E為芳綸纖維的楊氏模量（初始模量）單位N／（0.07mm2）；ε為光纖元件的應(yīng)變量（％）。4.3斷裂強(qiáng)度 斷裂強(qiáng)度是光電纜在遭受不可抗拒的外界作用力下增強(qiáng)元件斷裂失效時(shí)的極限拉伸強(qiáng)度。在該斷裂強(qiáng)度下光電傳輸一般難以維持正常工作，光電纜因增強(qiáng)元件斷裂失效而遭到破壞。芳綸纖維用量可按一定的經(jīng)驗(yàn)公式和強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行估算。 另外對(duì)于與光電線連接的光電連接器來(lái)說(shuō)，還應(yīng)考慮連接強(qiáng)度，即所謂的系統(tǒng)強(qiáng)度。此外光電纜的強(qiáng)度不僅取決芳綸纖維增強(qiáng)元件的用量、統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、芳綸纖維的增強(qiáng)工藝、芳綸纖維的品種、尺寸和加工處理技術(shù)以及強(qiáng)度安全系數(shù)等因素在光電纜的設(shè)計(jì)中也必須予以充分的考慮。根據(jù)光電纜的實(shí)際使用情況，對(duì)上述強(qiáng)度計(jì)算方法進(jìn)行綜合權(quán)衡方可確保光電纜強(qiáng)度的經(jīng)濟(jì)高效和安全。5加工處理技術(shù) 有效地使用芳綸纖維及提高強(qiáng)度利用率有賴于合理的加工處理技術(shù)。芳綸纖維成纜時(shí)應(yīng)避免紗扭絞，因?yàn)槟矶认禂?shù)大于0.5的扭絞在0.5％伸長(zhǎng)率時(shí)對(duì)紗的承載能力產(chǎn)生負(fù)影響。 勞綸纖維在成統(tǒng)加工時(shí)需要對(duì)每一股纖維進(jìn)行均勻而精確的張力控制，這是為了保證光纜加強(qiáng)元件均勻一致地受力，發(fā)揮每一股纖維的強(qiáng)度以提高光纜的強(qiáng)度。張力可根據(jù)成纜設(shè)備和纖維的品種尺寸而定。盡量減少纖維與加工設(shè)備之間的接觸面十分必要，應(yīng)采用清潔、無(wú)裂紋、摩擦系數(shù)小的接觸表面（如無(wú)光澤氧化鉻等）并避免銳角。盡量避免纖維的復(fù)繞和并紗，因?yàn)閺?fù)繞會(huì)增加紗的附加懸垂，且額外的操作工序會(huì)降低纖維的機(jī)械強(qiáng)度。 芳綸纖維具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)160℃。盡管如此也應(yīng)盡量避免高溫環(huán)境，在光纜護(hù)套擠塑時(shí)應(yīng)盡快冷卻。芳綸纖維易吸潮和紫外老化，儲(chǔ)存時(shí)要置于溫度和濕度較恒定的避陰處，且塑料包封。6增強(qiáng)元件成纜工藝6.1平行式 芳綸纖維平行成纜，沒(méi)有螺旋絞距，纖維直接承載，其應(yīng)力一應(yīng)變特征基本保持不變。然而，當(dāng)光纜彎曲扭絞時(shí)芳綸纖維極易擁擠至一邊影響光纜整體結(jié)構(gòu)的平衡并造成受力不均。一般在光電纜設(shè)計(jì)時(shí)平行式成統(tǒng)多用于光纖元件OFCC，在這種作用場(chǎng)合，芳綸纖維部分承受拉伸力而主要起緩沖作用，保護(hù)光纖不受外部壓力和沖擊。6.2螺旋絞合 大多數(shù)勞綸纖維增強(qiáng)元件是以螺旋絞合成纜的。勞綸纖維在均勻張力控制下以一定的絞距螺旋絞合在纜芯周圍，形成芳綸加強(qiáng)層。芳給加強(qiáng)層不僅作為承載元件，而且作為緩沖層可以提高光纜的抗壓和抗沖擊強(qiáng)度，同時(shí)在某種程度上改善光纜的溫度特性。 芳綸纖維絞合工藝和光纜強(qiáng)度設(shè)計(jì)密切相關(guān)。芳綸纖維用量確定后，纖維的尺寸規(guī)格和絞合層數(shù)視光纜設(shè)計(jì)強(qiáng)度和尺寸大小而定。同一型號(hào)芳綸纖維細(xì)紗的模量較高，SZ正反多層絞合能達(dá)到增強(qiáng)元件的扭路平衡；芳綸纖維粗紗的模量相對(duì)較低，但若能一次絞合成統(tǒng)，不僅可以減少成纜工序，更主要的是，可避免多層絞合時(shí)增強(qiáng)元件因成線牽引和上下絞盤時(shí)反復(fù)彎曲造成的結(jié)構(gòu)張力松弛，以及內(nèi)外層受力不均造成強(qiáng)度損失。因此應(yīng)盡量采用單層絞合（勞綸纖維十分柔軟，扭距平衡可以忽略）。實(shí)驗(yàn)表明，相同用量的芳綸纖維，采用粗紗單層絞合并直接護(hù)層擠塑的光電綜合統(tǒng)比多層細(xì)紗續(xù)合，其加強(qiáng)元件增強(qiáng)效果有所改善，更有利于限制光電纜的應(yīng)變。6.3編織 芳綸纖維編織和絞合的顯著區(qū)別在于編織對(duì)于纜芯是對(duì)稱結(jié)構(gòu)而絞合不是。當(dāng)軸向負(fù)荷加在一根強(qiáng)度元件絞合的光纜上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生纜芯圍著絞合元件繞的傾向，而編織在應(yīng)變狀態(tài)下則傾向于壓迫纜芯。應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)腜PI（每英寸幾個(gè)交叉，交叉指編織結(jié)構(gòu)中每一相交點(diǎn)）或編織螺旋節(jié)距；低PPI可使強(qiáng)度元件主要發(fā)揮抗拉伸的作用。7低應(yīng)變光纜強(qiáng)度元件設(shè)計(jì) 一般認(rèn)為，當(dāng)外部張力施加于光纜上時(shí)，光纖元件的軸向應(yīng)變等同于光纜應(yīng)變，在設(shè)計(jì)光纜結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度元件時(shí)抑制光纖應(yīng)變顯得尤為重要。調(diào)整光纖絞距與增強(qiáng)元件絞距之間的關(guān)系可能使光纖軸向應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光纜的軸向應(yīng)變，從而保證光電傳輸?shù)目煽啃院桶踩裕娱L(zhǎng)光纜的使用壽命。 光纜軸向伸長(zhǎng)時(shí)，光纖與增強(qiáng)元件同時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變，若光纜中芳綸纖維絞距大于光纖層續(xù)距，光纜的應(yīng)變主要施加于芳綸纖維層，而光纖層應(yīng)變小于芳綸纖維層，光纖應(yīng)變得到抑制。由此可見(jiàn)，光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中光纖絞距應(yīng)小于芳綸纖維絞距，光纜在張力作用下光纖才能有較小的應(yīng)變，這對(duì)延長(zhǎng)光纖使用壽命十分有利，且可充分利用芳綸纖維的強(qiáng)度，以達(dá)到減少增強(qiáng)元件用量、節(jié)約成本的目的。 應(yīng)當(dāng)指出的是，光纖續(xù)距并不可一味地減小，過(guò)小的螺旋半徑會(huì)引起附加的光纖微彎損耗。芳綸纖維級(jí)距也不可一味地增大，過(guò)大的螺旋半徑易造成芳綸纖維在扭彎時(shí)向一側(cè)偏移，不僅暴露纜芯，而且會(huì)造成增強(qiáng)元件的受力不均勻影響光線強(qiáng)度。我們可以通過(guò)試驗(yàn)建立起光纖絞距與勞綸纖維增強(qiáng)元件絞距之間的恰當(dāng)關(guān)系以達(dá)到抑制光纖應(yīng)變的效果。8結(jié)論 在研制特種光電綜合纜的過(guò)程中，經(jīng)過(guò)分析比較增強(qiáng)元件及光纜應(yīng)力一應(yīng)變特征后，提出了低應(yīng)變光電纜芳綸纖維成纜工藝和強(qiáng)度計(jì)算方法。我們研制的高強(qiáng)度光電綜合纜能夠在各種環(huán)境條件下保持良好的綜合機(jī)械性能，芳綸纖維增強(qiáng)效果顯著，強(qiáng)度利用率得到進(jìn)一步提高。
