Основные положения по конструированию и особенности технологии изготовления волоконно-оптических кабелей

, (59)

где у_0p -- разрушающее напряжение при вероятности разрыва 63,2%.

Изгиб концентрического ОК радиуса R рассматривается для случая, когда длина осевой линии ОК остается неизменной. Тогда длина деформированной винтовой линии (рис. 10) в первом приближении также не меняется. Радиус кривизны р винтовой линии при изгибе меняется от точки к точке. Уравнение винтовой линии можно записать в двух системах координат:

1) в цилиндрической

, (60)

где r -- радиус,

ц -- полярный угол,

h -- шаг винтовой линии.

2) в декартовой

Шагу h винтовой линии соответствует

.

Участки оптического волокна с внешней стороны изогнутого оптического кабеля растягиваются, а с внутренней -- сжимаются.

Вдоль волокна возникают продольные уравновешивающие силы.

Рассмотрим два возможных случая расположения оптического волокна в кабеле: свободное размещение волокна относительно других элементов конструкции кабеля (демпфера) и плотное соединение волокна с демпфером.

Рис..11. Схематический чертеж расположения оптического волокна в кабеле при его изгибе

При свободной укладке оптического волокна в кабеле, например, в трубке из полимерного материала или в пазах сердечника, в нем возникают только деформации изгиба, зависящие от его наружного радиуса Ь и радиуса кривизны р. Наружная часть изогнутого оптического волокна растягивается, а внутренняя сжимается с е_изг. Напряжения в крайних точках сечения оптического волокна равны между собой по величине и противоположны по знаку: у_± = ± е_изг E₀. Деформация уменьшается с увеличением шага h (рис. 11). Она также меньше, если радиус скрутки А мал, однако при малых радиусах изгиба R положение меняется, к меньшим деформациям приводит выбор большего А. Расчет значений е_изг на рис. 12 проведен для тех же условий, что и расчет F_Д, приведенный выше, при этом Е_Д= 1 МПа.

Рис. 12. Зависимость относительного удлинения оптического волокна при изгибе от радиуса кабеля и шага скрутки (2b=150 мкм)

Продольная уравновешивающая сила может появляться и при свободной укладке оптического волокна в кабеле вследствие его касания элементов кабеля и проскальзывания при изгибе кабеля. Она зависит от коэффициента и характера трения и скорости изгибания. Последняя определяется скоростью намотки оптического кабеля на барабан или скоростью прохождения кабеля через изогнутый участок при протяжке.

С наибольшей скоростью перемещаются точки с

,

т. е. находящиеся посередине между М₀ и М_р.

Скорость проскальзывания и соответствующие напряжения увеличиваются с ростом шага скрутки. Для уменьшения напряжений при перемещениях оптического волокна следует ограничить величину шага скрутки, коэффициент трения оптического волокна и скорость изгибания оптического волокна.

Если оптическое волокно скреплено с демпфером, то его сохранность при изгибе, т. е. его малые деформации, могут быть обеспечены за счет мягкости материала демпфера, который допускает как продольное, так и поперечное перемещение оптического волокна относительно остальных элементов конструкции оптического кабеля. При этом в демпфере, волокне и его покрытии возникают определенные напряжения, стремящиеся вернутьвсе точки конструкции в исходное положение. Для расчета возникающих напряжений рассмотрим следующую модель (рис. 13).

Рис. 13. Схема модели для расчета относительного удлинения оптического волокна при изгибе и плотной укладке в конструкции кабеля

Каждое оптическое волокно в полимерном покрытии окружено воображаемым коаксиальным с ним цилиндром радиусом

R=(R₂-R₁)/2,

который касается элементов сердечника и защитной оболочки и прочно с ними связан. При изгибе оптического кабеля все точки на окружности этого цилиндра, как и точки конструктивных элементов оптического кабеля в любом его поперечном сечении, остаются в одной плоскости, в то время как сердечник и светоотражающая оболочка волокна смещаются вдоль своей оси.

Расчет относительного удлинения ОВ при изгибе может быть выполнен следующим образом.

Решение задачи определения относительного удлинения сердечника и светоотражающего покрытия оптического волокна для данного случая довольно сложное, и конечное решение для расчета е_ОВ имеет следующий вид:

(61)

где

D=E_ОВS_ОВ/k_y;

щ_L=2р/l -- пространственная круговая частота винтовой линии с радиусом с;

k_y -- коэффициент упругости материала демпфера.

Демпфер действует как пружина и создает возвращающую силу. Связывая величину коэффициента упругости со свойствами материала демпфера с помощью соотношения:

(62)

где G_Д -- коэффициент Пуассона,

м_Д -- модуль сдвига

и определяя полный сдвиг с помощью закона Гука, можно выразить коэффициент упругости материала демпфера, как

. (63)

Результаты расчета по приведенным формулам относительных удлинений при изгибе показаны на рис. 14.

Рис. 14. Зависимость относительного удлинения оптического волокна при изгибе от величины радиуса

Расчет проведен для следующих параметров:

ЕОВ= 60 ГПа;	мД=0,4;	R5=0,5 мм;	R2=1,4 мм;
ЕП=200 МПа;	Ес и Еоб >> ЕД;	h=40 - 200 мм;	R4=75 мм.
ЕД=1; 3; 10 МПа;	А=2,5 и 5 мм;	R1=0,4 мм;

Расчеты показывают, что при модуле упругости демпфера Ед, равном 3 и 10 МПа, допускаются радиусы изгиба, превышающие во всех случаях 200-500 мм. Более приемлемые результаты получены при E_Дl МПа. С уменьшением относительного шага происходит уменьшение е_ОВ. При h/А=20 допустим изгиб с R/А=30-40. В этом случае напряжение в оптическом волокне складывается из двух примерно равных частей, определяемых изгибами самого волокна и растяжением (сжатием), создаваемым кабелем. Расчеты для Ед = 0,1 МПа показали, что в этом случае определяющую роль играют деформации изгиба самого волокна. Деформации, вызванные влиянием остальных элементов кабеля, в несколько раз меньше. Допустимый радиус изгиба достигает 20 мм при А =2,5 мм и h/А =20-40 или при А =5 мм и h/А =20-30. Сравнение данных, приведенных на рис. 14, показывает, что кабели с плотной укладкой жил требуют применения весьма мягкого дем пфера с Е_Д=0,1-1 МПа. Только в этом случае кабель может быть подвергнут изгибу с достаточно малым радиусом.

При воздействии на оптический кабель нескольких факторов напряжения в оптическом волокне в соответствующих точках суммируются.

4.4 Расчет деформации трубчатой полимерной оболочки при действии поперечной раздавливающей нагрузки

В процессе эксплуатации из-за внешних нагрузок и взаимодействия элементов ОК между собой возникают раздавливающие нагрузки, действующие на защитные покрытия ОВ и вызывающие их деформации. Если величины деформаций значительны, это может привести к существенным ухудшениям характеристик, а в некоторых случаях и к разрушению ОВ.

Для оценки степени деформации трубчатой полимерной оболочки ОВ с ТЗО (рис. 8 б) можно воспользоваться следующим выражением, полученным экспериментальным путем м.н.с. Кремезом А.С. (ВНИИКП):

(64)

где д -- изменение диаметра трубки по вертикальной оси;

k -- коэффициент, усредняющий результат вследствие перехода от упругой деформации полимера к пластической;

G -- коэффициент Пауссона, характеризующий соотношения между продольными и поперечными деформациями материала;

R -- средний диаметр трубки;

h -- радиальная толщина трубки;

Е -- модуль упругости материала трубки;

q -- линейная интенсивность нагрузки, равная отношению раздавливающей силы F и длины трубчатого покрытия l на участке действия этой силы, т.е.

q=F/l.

Значения параметров в выражении (64) по литературным и экспериментальным данным для полимеров, используемых обычно в качестве ТЗО, определяются следующими величинами.

Коэффициент k = 14,6ч15,5, причем нижний предел соответствует оболочкам из ПВХ и ПЭНП, а верхний - из ФТ-2М.

Коэффициент G зависит только от природы материала и можно принять следующие его значения (полученные экспериментально): 0,4(ФТ-2М); 0,85(ПВХ); 0,7(ПЭНП).

Средние значениямодуляупругости Е: 120 кг/мм² (ФТ-2М),3,2кг/мм² (ПВХ),20кг/мм² (ПЭНП).

4.5 Расчет прочности армирующих элементов ОК

Остановимся на расчете прочности армирующих элементов ОК, расположенных концентрически на периферии или в центре ОК. Разложим приложенную к армирующему элементу силу на составляющие (рис. 15). Из рисунка видно, что

(65)

где F_пр1 -- расчетное значение суммарного разрывного усилия армирующих элементов в повиве;

S_А1 -- суммарное сечение армирующих элементов в повиве;

о;и -- номинальное значение разрывной прочности армирующих элементов в повиве;

у_А1 -- угол скрутки армирующих элементов в повиве.

Рис. 15. Усилия, возникающие в концентрически расположенных армирующих элементах (броне) оптического кабеля:

а - к расчету разрывной прочности армирующих элементов (брони); б - к расчету крутящего момента оптического кабеля

При наличии нескольких повивов аналогично имеем силу, приложенную к i-му повиву в виде:

(66)

Суммарное разрывное усилие в кабеле:

(67)

В оптических кабелях, элементы которых расположены по спирали, при растяжении возникают крутящие моменты, которые стремятся раскрутить броню или армирующий элемент, что может привести к выходу кабеля из строя. Поэтому его конструкция должна быть разработана таким образом, чтобы суммарный крутящий момент был минимальным.

Рассмотрим действие растягивающей силы F₁ на один повив армирующего элемента (или брони), состоящий из п_А проволок (рис. 15 б). Сила F_1А, действующая на одну из проволок, определяется как

(68)

Сила F_k1 создает крутящий момент, стремящийся повернуть повив проволок. Проекцию F_k1 на направление, перпендикулярное оси кабеля, обозначим через F_k. Эта сила действует на плечо, равное R_A, где R_A -- радиус повива армирующего элемента. Из рис. 15 б следует, что

F_k1= F_1Acosв₁,

F_k1= F_1Asinв₁= F_k1= F_1Acosв₁sinв₁=F_1Atgв₁cos²в.

Принимая

(69)

где m -- коэффициент скрутки,

cos²в=1/(1+tg² в)

получаем силу, действующую перпендикулярно оси ОК,

 (70)

Общий крутящий момент повива проволок при замене F_1A выражением (70):

(71)

Растягивающая сила на один повив может быть представлена в виде:

(72)

где d_А -- диаметр проволоки.

Тогда для этого повива крутящий момент может быть выражен в виде:

(73)

Таким образом, величина крутящего момента при растягивающих нагрузках зависит от величины растягивающего усилия, конструкции армирующих элементов или брони и от параметров скрутки. Если пренебречь действием сил трения и внутренних сил упругости в кабеле, то условие равновесия крутящих моментов ?М=0 для двухповивной конструкции брони может быть обеспечено при

,

(74)

Анализ этого уравнения показывает, что его решение возможно только при значительном уменьшении диаметра проволок второго повива.

5. Расчет геометрических размеров ВОК и его элементов

5.1 Расчет геометрических размеров ВОК

Разнообразие областей применения ОВ в системах волоконно-оптической связи требует, чтобы были разработаны самые различные конструкции кабелей с соответствующими размерами и материалами. Исходя из структуры волокна, выбираются соответствующие конструкции сердечника кабеля, оболочки, силовых элементов, брони и защитной оболочки, с тем чтобы волоконно-оптический кабель имел высокую надежность и долгий срок эксплуатации. Особое значение должно быть уделено тому, чтобы ОВ в этих кабелях не повреждались из-за воздействий окружающей среды, таких как температурные перепады и механические нагрузки.

Для повышения механической прочности волоконно-оптических кабелей с модульной конструкцией ОМ свиваются вокруг центрального элемента, который при этом может служить опорой как для защиты от продольного изгиба, так и для защиты от нагрузок на растяжение. Главным образом благодаря скрутке световоды в ОМ имеют определенное свободное пространство, в пределах которого нагрузки на растяжение, изгиб, сжатие, не выходящие за определенные рамки, не оказывают влияния на передаточные характеристики. Наряду с одно- и многоволоконными ОМ в различном исполнении (ОВ в полой оболочке, со сплошной оболочкой, компактные жгуты ОВ, ленточные конструкции ОВ) могут дополнительно свиваться в сердечник кабеля заполнители (кордели), а также медные жилы в виде пар или четверок. Совокупность этих скручиваемых элементов и силовых элементов, предотвращающих изгиб и нагрузки на растяжение, а также скрепляющей ленты или оболочки вокруг них, если таковая имеется, образуют сердечник кабеля.

В волоконно-оптической кабельной технике, восновном, применяется повивная скрутка элементов сердечника. Рассмотрим порядок расчета конструкции ОК с повивной скруткой сердечника.

Рис. 16. Конструкция сердечника ОК с однопоповинной структурой

Диаметр элемента в волоконно-оптическом кабеле повивной скрутки с числом п скручиваемых элементов первого повива, все из которых имеют диаметр D (рис.16), может быть определен с помощью выражения вида:

(75)

где и -- угол скрутки и элементов первого повива сердечника ОК.

Диаметр повива определяется по выражению:

(76)

Диаметр сердечника ОК с учетом поясной изоляции:

 (77)

где Д_ПИ -- толщина поясной изоляции ОК.

Если в конструкции ОК имеется несколько повивов (m), то диаметр сердечника по последнему повиву:

(78)

где р -- число повивов кабеля.

Тогда диаметр сердечника ОК с учетом поясной изоляции:

(79)

Общий диаметр кабеля с промежуточной оболочкой, броней из плоских лент и в защитном шланге определяется из выражения:

, (80)

где Д_ОБ, Д_П, Д_БР и Д_Ш -- радиальные толщины оболочки, подушки, брони и защитного шланга.

В табл. 2 приводятся значения диаметров элементов сердечника ОК, рассчитанных по выражениям (75), (76) и (78) для количества скручиваемых элементов в первом повиве и от п до 12 при и=90.

Таблица 2. Значения различных диаметров для расчета сердечника кабеля при двухповивной скрутке

Число элементов в слое	Диаметр центрального элемента d	Диаметр сердечника по повивам
		первому D1	второму D2
2	0,000 D	2,000 D	4,000 D
3	0,155 D	2,155 D	4,155 D
4	0,414 D	2,414 D	4,414 D
5	0,701 D	2,701 D	4,701 D
6	1,000 D	3,000 D	5,000 D
7	1,305 D	3,305 D	5,305 D
8	1,613 D	3,613 D	5,613 D
9	1,924 D	3,924 D	5,924 D
10	2,236 D	4,236 D	6,236 D
11	2,549 D	4,549 D	6,549 D
12	2,864 D	4,864 D	6,864 D

Особым типом кабеля одноповивной скрутки является кабель с профилированным сердечником. В нем ОВ свиваются послойно не в трубках ОМ, а в заранее сформированных пазах, которые проложены спиралеобразно в поверхности ПС. Как отмечалось в гл. 3, в зависимости от размера и формы этих углублений в них могут свободно перемещаться одно или несколько ОВ - отдельно или в виде ленточной конструкций. Как и в случае с ОВ в полой оболочке, эти пазы заполняются компаундом. Если требуется конструкция кабеля без гидрофобного заполнителя, то водонепроницаемость по длине может быть обеспечена с помощью набухающей водозащитной ленты или пряжи.

Для того чтобы еще больше увеличить число ОВ в кабеле, в пределах одной общей внешней оболочки могут быть свиты по модульному принципу несколько отдельных кабельных элементов в виде профилированных сердечников. Преимущество этой конструкции в сочетании с ленточной компоновкой у кабелей с большим количеством ОВ (более 100) заключается, с одной стороны, в большой плотности упаковки и, с другой стороны, в упрощенной технологии соединения вследствие упорядоченного размещения ОВ.

Расчет конструкции профилированного сердечника ОК выполняется по [1]. При известной величине диаметра профилированного сердечника (D_ПС) диаметр ОК с такими же броневыми покровами определяется по выражению:

(81)

где Д_Л -- толщина скрепляющего слоя сердечника ОК.

При повивной скрутке сердечника ОК из нескольких одинаковых профилированных элементов диаметр сердечника ОК определяется по (79). В этом случае в выражении (4.78) вместо D₁ принимается D_ПС.

При рассмотрении особенностей расчета диаметра ОК гофрированной, ленточной или круглопроволочной бронией толщина этой брони Д_БР будет определяться следующим образом.

При наличии гофрированной брони ее толщина определяется с учетом высоты гофров. При расчете толщины ленточных покровов поступают как и в случае кабелей с медными жилами. Если перекрытие смежных витков ленты, измеренное по ее ширине, меньше 25 %, учитывается только одна ее толщина, при перекрытии 25-30 % -- толщина 1,5 ленты, а при перекрытии более 33 % -- двойная толщина ленты.

Диаметр проволоки при бронировании ОК одним слоем определяется по выражению:

, (82)

где ч -- коэффициент скрутки бронепроволок;

h -- шаг скрутки;

D₁ -- диаметр кабеля под бронепроволоками.

При выборе толщины защитного шланга ОК исходят из надежности и гибкости оболочки.

Большая толщина шланга повышает его надежность, но отрицательно сказывается на гибкости. Гибкость шланга ОК обратно пропорциональна ее жесткости, т. е. произведению модуля упругости материала Е на момент инерции сечения оболочки J:

, (83)

где J= 0,05 (D⁴_{ОБ НАР}- D⁴_{ОБ ВН}).

Например, модуль упругости полиэтилена низкого давления равен в среднем 200 МПа, т.е. на 25 % больше модуля упругости свинца (160 МПа). Так как полиэтиленовые защитные шланги еще примерно в 1,5 раза толще свинцовых, то в результате первые значительно (почти вдвое) жестче вторых. Излишняя толщина п, следовательно, повышенная жесткость полиэтиленовых защитных шлангов затрудняют выкладку кабелей по стенкам колодцев.

По мере накопления производственного и эксплуатационного опыта целесообразно постепенно оптимизировать толщину полимерных защитных шлангов отечественных кабелей с учетом мирового опыта конструирования и эксплуатации ОК.

5.2 Конструирование и расчет гофрированного покрова ВОК

В зависимости от профиля гофра в диаметральном сечении гофрированной оболочки (брони) наиболее известны треугольный (рис. 17 а), трапециевидный или плосковершинный (рис. 17 б) и синусоидальный (рис. 17 в) гофры.

Рис. 17. Профили гофрированной оболочки ОК

В зависимости от способа гофрирования теоретически любой из этих гофров может быть либо кольцевым, либо винтовым (или спиральным). Кольцевой и винтовой типы гофров различаются в зависимости от расположения плоскости симметрии гофра в диаметральном сечении гофрированного элемента по отношению к его оси. Если плоскость симметрии гофра перпендикулярна продольной оси гофрированного элемента (следовательно, угол гофрирования б=0), то гофр -- кольцевой; если же указанные плоскость и ось расположены под углом (0<б<90^о), то гофр -- винтовой. Синусоидальным гофр называется условно. Криволинейная образующая гофра, строго говоря, не является синусоидальной: радиусы выпуклостей и впадин гофра (r_ВЫП и r_ВП на рис. 17 в) в общем случае не равны.

Основные первичные параметры гофрированного элемента следующие: толщина его стенки д, диаметр D, шаг гофрирования t или Т; высота гофра h, а также для синусоидального, трапециевидного, винтового и гармониевидного гофров -- радиус впадин r_ВП. Следует различать понятия теоретической h и практической h_ПР высот гофра. Первая соответствует расстоянию между нижней и верхней точками внешней или внутренней поверхности стенки гофрированного элемента, вторая -- между самой нижней и самой верхней точками гофра, т. е. является полной его высотой (h_ПР=h+д). Иногда вместо теоретической высоты удобно пользоваться понятием глубина гофра, т. е. расстоянием между верхними точками его выпуклости и впадины. Как видно из рис. 17, глубина гофра равна h. Условные обозначения шага гофрирования относятся: t -- к гофрам с однородным профилем, т. е. треугольным и синусоидальным; Т -- к гофрам с неоднородным профилем, т. е. плосковершинным и гармониевидным.

К вторичным параметрам гофрированных элементов относятся: степень гофрирования о, коэффициент гофрирования k_Г коэффициент укорочения k_У .

Под степенью гофрирования понимается отношение наружных диаметров выступа и впадины гофрированного элемента:

(84)

Коэффициент гофрирования есть отношение длины продольной образующей гофрированного элемента к длине его продольной оси или, что то же самое, длины образующей гофра на участке одного шага гофрирования к значению шага:

. (85)

При гофрировании цилиндрической оболочки изменение ее длины происходит не только из-за увеличения длины криволинейной (или ломаной) образующей гофров по сравнению с прямолинейной образующей цилиндра, но и вследствие уменьшения наружного диаметра и образования впадин гофров, т. е. редуцирования оболочки и изменения толщины стенки. В общем виде коэффициент гофрирования должен отражать влияние всех трех факторов, но, как указано в [15], при существующей технологии гофрирования с двумя последними можно практически не считаться.

Инженерные формулы для расчетов коэффициента гофрирования различных профилей гофров представлены ниже.

Для треугольного гофра:

(86)

где .

При измерениях чаще приходится иметь дело с полной или практической высотой гофра h_ПР. Тогда:

, (87)

или приближенно:

. (88)

Для синусоидального гофра приближенная формула, полученная при условии приравнивания формы образующей гофра дуге окружности, такова:

. (89)

Длина образующей синусоидального гофра согласно (89):

. (90)

Дальнейшее упрощение (89) возможно при замене дуги окружности равносторонним треугольником, боковые стороны которого являются хордами полудуг выпуклости гофра, а основание -- хордой всей дуги. Тогда коэффициент гофрирования для синусоидального гофра можно рассчитывать так же как и для треугольного, по (86) или (87).

Любой трапециевидный гофр можно рассматривать как состоящий из двух последовательных участков: плоской вершины (или впадины) длиной а и ломаной или криволинейной части (вогнутости, выпуклости). Учитывая, что шаг подобных гофров Т, обозначим расстояние между их соседними горизонтальными площадками, являющееся основанием ломаной или криволинейной части гофра, через

t=T -- а.

Длина образующей криволинейной выпуклости (вогнутости) может рассчитываться либо по (90), полученной для криволинейного так называемого синусоидального гофра, либо по (86), допустимой при замене дуги окружности криволинейной части гофра двумя хордами -- сторонами треугольника.

В первом случае с учетом (90):

, (91)

. (92)

Соотношения (4.91) и (4.92) можно выразить в иной записи:

, (93)

, (94)

где р=а/Т; q=t/T; k_ГС -- коэффициент гофрирования синусоидальной составляющей трапециевидного гофра.

Во втором случае с учетом (90):

, (95)

. (96)

Таким образом, для приведенных профилей рекомендуемые расчетные формулы по определению коэффициента гофрирования могут быть представлены в виде табл. 3.

Таблица 3. Формулы для расчета коэффициента гофрирования

Наименование профиля гофра	С учетом криволинейности гофра	Без учета криволинейности гофра
Треугольный	-
Синусоидальный
Трапециевидный (плосковершиппый)

Примечание. Во всех формулах допускается замена теоретической высоты гофра h на полную или практическую его высоту h_ПР

Если оболочка образуется из предварительно сформированной цилиндрической трубки, то в процессе гофрирования она, как правило, укорачивается. Поэтому на практике часто пользуются понятием коэффициента укорочения k_У, который в общем случае обратно пропорционален k_Г, т.е.

.

Таким образом, длина гофрированной оболочки:

l_ОБГ=l_ОБk_У=l_ОБ/k_Г,

где l_ОБ -- длина оболочки до гофрирования.

Будет укорачиваться также гладкая экранная (алюминиевая, медная) или стальная лента, предварительно пропускаемая через гофрирующее устройство перед ее наложением на сердечник.

Значения k_У можно рассчитать по формулам, обратным приведенным в табл. 3, например, для треугольного профиля:

. (97)

5.3 Конструирование и расчет стальных гофрированных оболочек

В задачу конструирования стальных гофрированных оболочек входит: выбор профиля и типа гофра, определение толщины ленты, диаметра гофрированной оболочки, шага и высоты гофра.

Для стальных оболочек применимы как синусоидальный, так и трапециевидный (плосковершинный) профили гофра.

При равных диаметрах оболочки, естественно, коэффициент гофрирования, масса металла, а также масса защитных покровов будут меньше у оболочек с плосковершинным гофром, однако последние уступают оболочкам с синусоидальным гофром по большинству механических параметров: гибкости, стойкости к многократным изгибам, стойкости к поперечному и объемному сжатиям, относительному удлинению (исключение составляет лишь растягивающее усилие без остаточной деформации, которое у оболочек с плосковершинным гофром больше).

В кабелях с пластмассовой оболочкой стальные гофрированные оболочки являются конструктивным элементом, определяющим надежность и долговечность кабелей. Поэтому при их сравнительной оценке доминирующую роль играют именно механические параметры. Руководствуясь этим, предпочтение следует отдать синусоидальному профилю гофра.

Коэффициент защитного действия стальных оболочек от профиля, типа и параметров гофра практически не зависит.

Сравнение оболочек с кольцевым и винтовым типами гофров показало, что по ряду параметров они эквивалентны. Это относится к коэффициенту гофрирования и массе, разрывному и растягивающему без остаточной деформации усилиям, минимальному радиусу изгиба и стойкости к объемному сжатию. Винтовой гофр предпочтительнее по стойкости к многократным изгибам и к поперечному сжатию, по большему относительному удлинению при разрыве. Решающим обстоятельством при выборе типа гофра должен служить принятый технологический процесс изготовления стальной сварной гофрированной оболочки.

При аргонно-дуговой сварке оболочки процесс протекает с относительно небольшой скоростью (около 15 м/мин) и гофрирование оболочки вполне может осуществляться методом обкатки ее кольцом, при котором формируется несколько более благоприятный винтовой гофр.

При высокочастотной сварке оболочки скорость процесса относительно велика - до 60 м/мин. Такую скорость гофрирования обеспечивает метод продольной прокатки в профилированных зубчатых калибрах, при котором формируется кольцевой гофр. В США, а также в Японии, Испании принят способ высокочастотной пайки оболочки, свернутой из предварительно гофрированной стальной ленты, при котором также образуется кольцевой гофр. Если, отвлекаясь от наличия того или иного оборудования, оценить оба способа изготовления стальной гофрированной оболочки, то можно высказать следующие ориентировочные соображения. Способ высокочастотной сварки более эффективен для кабелей диаметром 20-40 мм, т. е. в условиях крупносерийного производства. При этом используется преимущество высокоскоростного процесса в сочетании с редкими переналадками агрегата при переходе с одного размера оболочки на другой, отнимающими много времени при гофрировании ее путем продольной прокатки.

Возможно изготовление гофрированной оболочки также из заминированной ленты Zetabon без сварки стыков ленты.

Толщина стальной оболочки, как правило, должна зависеть от диаметра сердечника. В противном случае, т. е. при неизменной толщине оболочки, по мере увеличения диаметра сердечника ухудшаются такие его параметры, как гибкость, стойкость к многократным изгибам, к объемному и поперечному сжатиям. Кроме того, возрастает масса кабеля. И толщину оболочки надлежит увеличивать, чтобы не пришлось снижать усилия тяжения и соответственно уменьшать строительные длины кабелей, протягиваемых в канализации.

Так как сталь механически значительно прочнее, чем свинец и алюминий, то и диапазон толщин стальной оболочки может быть уже свинцовых и алюминиевых, и число градаций толщин в несколько раз меньше.

При производстве ОК возможны колебания диаметра сердечника и промежуточной оболочки по длине. Поэтому между промежуточной оболочкой и стальной гофрированной оболочкой должен быть предусмотрен технологический зазор (Дз).

Таким образом, внутренний диаметр гофрированной оболочки (по впадинам) будет:

, (98)

наружный диаметр оболочки по впадинам гофра:

. (99)

Определим наружный диаметр оболочки по выступам гофра, т. е. собственно диаметр гофрированной оболочки D_НАР. Последний зависит от рекомендуемой степени гофрирования, которая оказывает существенное влияние на гибкость оболочки, ее стойкость к сжатию и многократным изгибам. Чем степень гофрирования больше, тем лучше механические параметры оболочки. Однако с увеличением о возрастает расход металла оболочки и материалов защитных покровов. Можно рекомендовать о =1,25…1,15 (по мере увеличения диаметра).

Итак,

. (100)

Исходя из (4.99) и (4.100) высота гофра:

. (101)

Можно задавать не степень гофрирования о, а непосредственно теоретическую высоту (глубину) гофра h. В этом случае

. (102)

Подобный метод нормирования принят в VDE 0816/2.79.

Оптимальный шаг гофра t_ОПТ, при котором обеспечиваются наибольшие гибкость и стойкость оболочки к многократным изгибам, зависит от диаметра оболочки. Рекомендуется полученное на основании опытных данных выражение для определения оптимальных шагов, мм, кольцевого синусоидального гофра:

. (103)

Для винтового гофра фирма «Кабельметалл» (ФРГ) рекомендует ступенчатое соотношение между t_ОПТ и D (рис. 18), которое в усредненном виде может быть записано так:

, (104)

где t_ОПТ и D_НАР в мм.

Как видно из сопоставления (103) и (104), они очень близки.

После нахождения указанных параметров надлежит проверить, соблюдаются ли ограничения h>h_мин и д>д_мин. Минимально допустимая высота гофра определяется исходя из заданной кратности изгиба кабелей:

 (105)

где п_ИЗГ=R_ИЗГ/D_HAP.

Рис. 18. График оптимального шага гофра стальной оболочки:

1 - кольцевого; 2 - винтового

Подобно кабелям ГТС с медными жилами определим тяговое усилие F_T, Н, необходимое для протягивания в канализации максимальной строительной длины ОК l_{СТРмакс},км.

, (106)

где P_о -- масса кабеля, кг/км;

k_Т -- коэффициент трения кабеля о стенки канала;

g -- ускорение свободного падения.

Как отмечалось ранее, это тяговое усилие не должно быть больше допустимого растягивающего усилия ОК при заданном удлинении ОВ:

 (107)

где F_i -- растягивающее усилие, обеспечиваемое конструкцией i-го элемента ОК.

В свою очередь, максимально допустимое растягивающее усилие гофрированной оболочки, не вызывающее ее остаточной деформации, может быть определено по выражению:

, (108)

где k_у -- коэффициент прочности, равный 270-330 Н/мм² (в среднем 300 Н/мм²) для гофрированных оболочек из низкоуглеродистой особо мягкой стали.

Если предположить, что основным и единственным силовым элементом ОК является гофрированная оболочка, то полученная из (106) и (108) зависимость для минимально допустимой толщины стальной гофрированной оболочки, мм, может быть представлена в виде:

. (109)

6. Расчет масс элементов волоконно-оптического кабеля

Основные конструктивные элементы ОК имеют цилиндрическую форму и являются сплошными (ОВ, токопроводящие жилы) или трубчатыми (изоляция, жилы ДП, трубки ОМ, оболочка, защитные покровы). Формулы для расчета масс конструктивных элементов в общем виде имеют соответственно вид

, (110)

где d -- диаметр сплошного элемента;

D_СР -- средний диаметр трубчатого элемента;

д -- толщина стенки трубчатого элемента;

l -- длина элемента;

г-- плотность материала, из которого состоит данный конструктивный элемент;

k, К -- конструктивно-технологические коэффициенты (укрутки, спиральности, гофрирования и др.).

Диаметры и толщины конструктивных элементов всех кабелей стандартизованы в миллиметрах, а так как кабель -- изделие длинномерное, то за единицу длины принят 1 км. Указанные дольная и кратная единицы СИ рекомендованы стандартами. Если при этом выражать плотность материала в тоннах на метр кубический, что по числовому значению соответствует граммам на кубический сантиметр (1 т/м³=1 г/см³), то масса материала будет выражена в килограммах на километр (кг/км). Тонна является диницей измерения, допустимой к применению наравне с единицами СИ.

В формулы подставляются номинальные размеры элементов (без учета допусков) и вычисляется номинальная масса (без учета отходов).

Остановимся на расчете масс наиболее используемых элементов в конструкциях ОК.

6.1 Масса оптических волокон

Масса сердцевины и оболочки ОВ в трубке оптического модуля или в пазе профилированного сердечника определяется выражением:

, (111)

где Р_С+О -- масса сердцевины и оболочки ОВ, кг/км;

b -- радиус кварцевой оболочки ОВ, мм;

г_КС -- плотность кварца, г/см³;

К_Г -- коэффициент укрутки ОВ по геликоиде в ТЗО или пазе ПС;

т -- число ОВ в ТЗО или пазе ПС.

Масса всех ОВ в кабеле:

, (112)

где п -- число TЗО или пазов ПС;

K_У -- коэффициент укрутки ОМ или ПС.

Если в конструкции ОК расположен один профилированный сердечник, то К_У = 1.

Масса однослойного покрытия ОВ в кабеле определяется выражением вида:

, (113)

где P_{П ОВ} -- масса покрытия всех волокон в ОК, кг/км;

Д _{П ОВ} -- толщина покрытия ОВ, мм;

г _{П ОВ}-- плотность материала покрытия ОВ, г/см³;

n _{П ОВ} -- общее число ОВ в кабеле.

Масса ОВ в полимерном покрытии определяется выражением:

. (4.114)

6.2 Масса центрального силового элемента

При использовании стального троса в полимерном покрытии масса такого ЦСЭ определяется следующим образом:

, (115)

где P_ЦСЭ, P_T, Р_ПТ -- массы, кг/км, ЦСЭ, троса и полимерного покрытия троса соответственно.

, (116)

где D_Ц, D_H -- диаметры, мм, проволоки в центральном и наружном повивах троса соответственно;

N_H -- число проволок в наружном повиве;

К_УП -- коэффициент укрутки проволок троса;

г_Т -- плотность материала проволок, г/см³;

Kc -- коэффициент, учитывающий приращение веса троса за счет его смазки (К_С = 1,07).

, (117)

где D_T -- наружный диаметр троса, мм;

Д_ПТ -- толщина покрытия троса, мм;

г_ПТ -- плотность материала покрытия троса, г/см³;

К_Ф=1,13-- коэффициент, учитывающий технологические факторы.

Масса ЦСЭ из стеклопластика определяется выражением:

, (118)

где D_С -- диаметр стеклопластикового стержня, мм;

г_С-- плотность стеклопластика, г/см³.

6.3 Масса полимера трубок ОМ и профилированных сердечников

Масса полимера для трубок оптического модуля определяется выражением:

, (119)

где D_С -- диаметр трубки ОМ, мм;

Д_ТЗО-- толщина трубки ОМ, мм;

г_ТЗО -- плотность материала полимерной трубки, г/см³;

K_У -- коэффициент укрутки трубок ОМ;

п_ТЗО -- количество ОМ в кабеле.

Масса полимера для профилированного сердечника определяется выражением:

, (120)

где S_ПС -- площадь поперечного сечения профилированного сердечника ОК, мм²;

г_ПС -плотность материала профилированного сердечника ОК, г/см³.

6.4 Масса гидрофобного заполнителя в ТЗО и пазах ПС

Масса гидрофобного заполнителя в ТЗО или пазе ПС кабеля:

, (121)

где -- внутренняя площадь поперечного сечения ТЗО или паза ПС, мм²;

S_ОВ -- площадь поперечного сечения ОВ, мм²;

г_ГЗ -- плотность материала гидрофобного заполнителя, г/см³.

6.5 Масса заполняющих элементов

Масса заполняющих элементов ОК определяется выражением:

, (122)

где Р_ЗЭ -- масса ЗЭ, кг/км;

D_ЗЭ -- диаметр заполняющего элемента, мм;

г_ЗЭ -- плотность материала ЗЭ, г/см³;

n_ЗЭ -- число заполняющих элементов в кабеле.

6.6 Масса жил дистанционного питания

Масса монометаллических жил дистанционного питания, кг/км, определяется выражением:

, (123)

где d₀ -- диаметр токопроводящей жилы, мм;

n_ж -- число жил в кабеле;

г_ж -- плотность материала жилы, г/см³;

К_у-- коэффициент укрутки.

Масса однородной изоляции жил ДП, наложенной сплошным цилиндрическим слоем, определяется по выражению вида:

, (124)

где Д_ИЗ -- толщина изоляции, мм;

г_ИЗ -- плотность материала полиэтилена, г/см³;

n_ж -- число жил ДП в кабеле.

6.7 Масса промежуточной оболочки

Масса экструдированной пластмассовой оболочки определяется выражением:

, (125)

где D_ВТ -- внутренний диаметр оболочки или диаметр под оболочкой (по поясной изоляции D_ПСН при отсутствии экрана; по экрану D_Э, если он есть; по разделительной обмотке поверх экрана D_РОБМ), мм;

Д_ОБ -- толщина оболочки, мм;

г_ОБ-- плотность материала оболочки, г/см;

K_ТФ -- коэффициент, учитывающий технологические факторы, в частности неравномерность по толщине: для пластмассовой оболочки K_ТФ= 1,04.

6.8 Масса броневых покровов

Определим массу брони из плоских, гофрированных лент и круглой проволоки.

Масса ленточной брони определяется выражением:

, (126)

где D_ПОД -- диаметр по подушке или промежуточной оболочке, мм;

Д_БР = 2

Д_Л-- общая толщина брони, мм;

г_Л -- плотность материала бронелент, г/см³;

К_ЗА -- коэффициент зазора аксиального.

Бронеленты накладываются с зазором между соседними витками, равным в среднем 1/3 ширины ленты (К_НСР = 0,33). К_ЗА = 0,75.

Масса гофрированной брони определяется выражением вида:

 , (127)

где D_ВН -- внутренний диаметр гофрированной оболочки по впадине гофра, мм;

Д_БР -- толщина брони, мм;

г_{С ОБ} -- плотность материала трубки гофрированной брони, г/см³;

К_ТФ -- коэффициент, учитывающий технологические факторы (для стали К_ТФ = 1,04);

К_Г -- коэффициент гофрирования брони.

Масса брони Р_БРПР кг/км, из круглой проволоки определяется по выражению вида:

, (128)

где d_П -- диаметр стальной проволоки, мм;

N -- число бронепроволок;

К_УПР -- коэффициент укрутки бронепроволок.

Шаг наложения бронепроволок Н_БРПР=(8...15)D_ОБ, в среднем m_Т= 11(m_Т -теоретическая кратность шага скрутки) и К_УПР?1,04.

Число проволок брони рассчитывается по формуле:

. (129)

Дробное N округляется до ближайшего меньшего целого числа, при этом суммарный просвет между проволоками не должен превышать одного диаметра проволоки.

6.9 Масса защитного шланга

Масса защитного шланга определяется выражением вида:

, (130)

где D_ВТ -- диаметр под шлангом (по гладкой или гофрированной оболочке, по броне), мм;

Д_ШЛ - толщина шланга, мм;

г_ШЛ-- плотность материала защитного шланга, г/см³;

К_ТФ=1,10 - коэффициент, учитывающий технологические факторы.

7. Расчет уровня затухания оптического волокна

В задачу конструирования входит сохранение исходного затухания оптического волокна как при изготовлении кабельного изделия, так и в широком диапазоне условий прокладки и окружающей среды.

Опыт создания оптических кабелей показывает, что их затухание превосходит затухание оптического волокна, на базе которого этот оптический кабель изготовлен. Если коэффициент затухания волокна обозначить б_ОВ, то коэффициент затухания оптического кабеля:

. (131)

Дополнительный показатель затухания б' состоит из суммы отдельных показателей. Существуют по крайней мере семь видов парциальных составляющих коэффициента затухания

, (132)

а именно:

-- возникает вследствие приложения к оптическому волокну термомеханических воздействий в процессе изготовления кабеля, при этом создаются внутренние напряжения;

-- следствие температурной зависимости коэффициента преломления материала оптического волокна;

-- вызывается микроизгибами оптических волокон, механизм их влияния на затухание связан с рассеянием энергии на излучение и с появлением локальных микронапряжений;

-- следствие нарушения прямолинейности оптического волокна (скрутка), а также нерегулярных макроизгибов, вызванных случайным отклонением от прямолинейности, например, при прокладке кабеля или при воздействии внешних усилий;

-- результат кручения оптического волокна относительно его оси, приводящий в свою очередь к появлению осевых напряжений скручивания;

-- возникает вследствие неравномерности покрытия оптического волокна и температурных воздействий на волокно и на конструктивные элементы оптического кабеля, приводящих в случае жесткой связи (укладки) волокна (ОВ ПЗО) с защитной оболочкой к локальным напряжениям в волокне; приращение затухания этого вида может существенно проявиться при значительных изменениях температуры окружающей среды в процессе хранения или эксплуатации;

-- следствие потерь в защитной оболочке оптического волокна, которые в свою очередь обязаны «туннельному эффекту» и различным неоднородностям, обусловливающим эффект рассеяния энергии.

Составляющие не появляются одновременно во всех конструкциях ОК. Например, в ОК со свободной укладкой волокон отсутствует. Таким образом, дополнительные потери определяются в основном процессами рассеяния энергии на неоднородностях, возникающих вследствие перечисленных влияний, и частично увеличением потерь на поглощение энергии. Причиной увеличения потерь на поглощение являются остаточные осевые и поперечные напряжения в оптическом волокне, могущие возникнуть при изготовлении кабеля.

В целом дополнительное затухание не должно превышать б_ОВ более, чем на (40-50) %.

8. Технология изготовления волоконно-оптических кабелей

В зависимости от назначения технологические процессы и операции производства оптического кабеля включают: изготовление заготовки и из нее оптического волокна, наложение на оптическое волокно защитной полимерной оболочки, скрутку волокон, наложение оболочки (металлической, пластмассовой), наложение защитных покровов, в том числе брони.

Изготовление оптических волокон и заготовок, из которых вытягивают волокна, представляют собой сложные технологические процессы.

В большинстве машин для изготовления оптического кабеля имеется четыре основных механизма: отдающее устройство, в которое устанавливается отдающая тара или заготовка; рабочий механизм, с помощью которого осуществляется заданный технологический процесс; тяговое устройство, обеспечивающее продольное перемещение изготавливаемого изделия через машину с постоянной линейной скоростью; приемное устройство, в которое устанавливают приемную тару и в которое поступает изделие, прошедшее через машину.

С целью уменьшения операций перезаправки машин, сокращения внутрицеховых перемещений применяют совмещение нескольких технологических операций в один технологический процесс. Рассмотрим технологию изготовления ОК.

Технологический процесс изготовления оптических кабелей базируется на основных принципах кабельной технологии.

8.1 Технология нанесения вторичного защитного полимерного покрытия на оптическое волокно

При наложении защитного покрытия на оптическое волокно с обжатием основным условием является точное его расположение в геометрическом центре оболочки. Причинами эксцентриситета могут быть несоответствие диаметра отверстия дорна диаметру оптического волокна, наличие в головке пресса отдельных участков с различной температурой, неравномерность скорости движения потока расплава в головке, перегрев массы, вследствие чего после выхода из головки экструдат провисает.

Другой особенностью наложения покрытия с обжатием является режим охлаждения. При охлаждении готового изделия водой внутри оболочки образуется полость, и чем холоднее вода, тем больше. Объясняется это следующим. При охлаждении водой, имеющей достаточно высокий коэффициент теплопроводности, полимерная оболочка начинает быстро охлаждаться до температуры воды и усаживаться в радиальном направлении, в результате чего происходит «подтягивание» внутренних слоев оболочки к наружным. Полости внутри оболочки вызывают, как правило, облом оптического волокна, поскольку из-за усадки вдоль оси изоляции на волокно начинают действовать разрушающие его сжимающие усилия.

Экспериментально установлено, что целесообразно производить охлаждение покрытого с обжатием оптического волокна на воздухе, так как коэффициент теплоотдачи в воздухе значительно ниже, чем в воде, и охлаждение происходит не так резко, и не возникает отрицательных явлений, присущих охлаждению водой. От скорости охлаждения зависит и внутренняя структура полимера: чем меньше скорость охлаждения, тем выше содержание кристаллической фазы в полимерной оболочке. При быстром охлаждении преобладает аморфная фаза. Количественное соотношение этих фаз в конечном итоге определяет механические характеристики полимерных покрытий.

Особенность процесса наложения трубчатой полимерной оболочки, в которой оптическое волокно лежит свободно во внутренней полости, связана также с режимом охлаждения. При охлаждении оболочка усаживается как в радиальном, так и в продольном направлениях, деформируя оптическое волокно, вследствие чего оно располагается внутри полости трубчатой оболочки по какой-то пространственной кривой. При этом наблюдаются дополнительные потери энергии. В зависимости от степени усадки и размеров полости деформация осевого сжатия, действующая при этом на оптическое волокно, может привести его к разрушению. Для устранения этого явления необходимо, чтобы усадка трубчатой оболочки происходила вблизи формирующего инструмента на коротком участке длины. С этой целью следует установить ванну с холодной водой как можно ближе к головке пресса. Оптическое волокно при этом будет располагаться в сформировавшейся осажденной трубчатой оболочке свободно и почти прямолинейно, что обусловит неизменность передаточных характеристик оптического волокна.