¿Cómo garantizar la resistencia a la tracción de los cables ópticos ADSS?

1.visión general

Los principales elementos de resistencia a la tracción en un cable óptico ADSS son los elemento de refuerzo central (CSM), normalmente de Plástico reforzado con fibra (FRP), y el hilo de refuerzo, que es hilo de aramida. El uso de estos elementos de tracción evita que las fibras ópticas internas soporten una tensión excesiva cuando el cable se instala en el aire, mitigando así el aumento del atenuación adicional. En Resistencia a la tracción (UTS) o Resistencia nominal a la rotura (RBS) del cable ADSS es uno de los indicadores clave utilizados para verificar el cumplimiento de las prestaciones del cable. La metodología para garantizar una resistencia a la tracción adecuada varía en función de la estructura del cable y de la longitud de tramo requerida. Por lo tanto, controlar el proceso de producción para garantizar que el cable posee la resistencia a la tracción especificada es una métrica de control de calidad crucial.

2.Importancia de la resistencia a la rotura del cable ADSS y del mecanismo de reparto simultáneo de la carga

Los cables ópticos ADSS se suspenden entre estructuras de soporte (postes/torres) con un sag sobre un determinado longitud del tramo, que exige un alto rendimiento de tracción. El cable resistencia a la rotura (RBS/UTS) es el parámetro que define su resistencia a la tracción axial, cuantificando la eficacia de los miembros tensores. Una mayor resistencia a la rotura indica una mayor resistencia a la tracción axial, protegiendo mejor las fibras ópticas de fuerzas externas que podrían provocar un aumento de tensión de la fibra y posterior atenuación adicional durante el funcionamiento. Para alcanzar la máxima resistencia a la rotura posible, es esencial que todos los elementos de tracción del cable ADSS soporten la carga simultáneamente. Debido a los distintos niveles de fricción entre los componentes en los diferentes diseños de cables, se requieren distintos equipos, materiales y métodos de control de procesos durante la fabricación para garantizar un rendimiento óptimo de la resistencia a la tracción.

3. Garantía de resistencia a la tracción para diferentes estructuras de cables

3.1 Principales observaciones de las pruebas de resistencia a la rotura de los cables

La prueba de resistencia a la rotura de los cables ópticos ADSS simula el entorno mecánico durante la instalación aérea. La prueba consiste en asegurar ambos extremos de una muestra de cable con accesorios (o mordazas), aplicando una fuerza de tracción en un extremo, y registrando la carga máxima en el momento de la rotura del cable, que se define como el resistencia a la rotura o Resistencia a la tracción (UTS) [1]. Un cable óptico está formado por múltiples componentes, entre los que se incluyen el elemento de resistencia central, las fibras ópticas, los tubos sueltos y una cubierta exterior. En el caso de los cables ADSS, los principales elementos portantes son los hilo de aramida y el FRP (plástico reforzado con fibra) varilla. Según los resultados de las pruebas de resistencia a la rotura, el estado de estos dos elementos suele presentar tres resultados principales:

(1) Primera observación: El hilo de aramida y el plástico reforzado con fibra de vidrio permanecen intactos (sin roturas). Esta situación suele deberse a una adhesión o compactación insuficiente de la cubierta exterior alrededor del hilo de aramida. A medida que la cubierta exterior se estira y se encoge bajo tensión, se produce una resbalón se produce entre el revestimiento exterior y el elemento de tracción primario (hilo de aramida). En consecuencia, el hilo de aramida y el elemento de PRFV no soportan eficazmente la carga axial.

(2) Segunda observación: El hilo de aramida se rompe, el plástico reforzado con fibra de vidrio permanece intacto. Este resultado sugiere que el FRP sólo empieza a soportar la carga después de el hilo de aramida ya ha alcanzado su límite máximo de deformación y se ha roto. Posteriormente deslizamiento se produce entre el hilo de aramida roto y los componentes de la capa interior adyacente, lo que impide la transferencia completa de la fuerza de tracción hacia el interior. Por lo tanto, el elemento de resistencia central (FRP) permanece intacto. Un caso especial consiste en que la mayor parte del hilo de aramida se rompe mientras que parte del hilo de aramida y el FRP permanecen intactos. Esto suele atribuirse a longitud de tendido del cordón de aramida, lo que da lugar a un reparto no simultáneo de la carga entre los filamentos de aramida.

(3) Tercera observación: Ruptura tanto del hilo de aramida como del FRP Este es el resultado deseado, ya que confirma que tanto el hilo de aramida como el FRP aportaron su máxima contribución a la tracción. En este caso, se optimiza la resistencia a la rotura del cable.

3.2 Determinación de la fricción entre componentes en cables ópticos

La prueba de resistencia a la rotura del cable simula la aplicación de tensión durante la instalación del cable, en la que el cable se sujeta en ambos extremos mediante accesorios. Los herrajes ejercen una fuerza de agarre F1. Un axial carga de tracción Se aplica F2 a un extremo y se mide la carga máxima en el momento de la rotura. Mediante el análisis de tensiones, se comprende que el cable tiende a alargarse en la dirección de la F2 aplicada. La carga de tracción se transfiere secuencialmente de las capas exteriores a las interiores, mediada por la fuerza de sujeción F1. Si deslizamiento relativo entre dos componentes cualesquiera de una capa, se interrumpirá la transferencia de fuerza a los componentes interiores. Estos componentes internos no contribuirán a la resistencia global a la rotura y permanecerán intactos. Por lo tanto, garantizar una adecuada fuerza de fricción entre todos los componentes es de vital importancia.

Nuestra empresa utiliza un instrumento capaz de medir el máximo fuerza de fricción estática entre componentes adyacentes. Este dispositivo suele constar de una máquina de ensayos de tracción, una varilla de extracción de componentes, una varilla de sujeción de componentes y un mecanismo de agarre. Está diseñado para medir la fuerza de fricción estática máxima inmediatamente antes del inicio del movimiento relativo (deslizamiento) entre los dos componentes sometidos a ensayo.

3.3 Garantizar la resistencia a la tracción de diferentes estructuras de cables

3.3.1 Tratamiento de los resultados anómalos de las pruebas de rotura

Para evitar la situación anómala de Primera observación (el hilo de aramida y el plástico reforzado con fibra de vidrio permanecen intactos), es necesario asegurarse de que la cubierta exterior tenga una resistencia suficientemente alta a la corrosión. fuerza de tapado (o integridad/estanqueidad de la vaina). Los factores de control clave para conseguirlo incluyen la selección de las dimensiones adecuadas de la punta y la cara de la matriz, o el aumento de la distancia entre ellas para potenciar el presión de extrusión, y optimizando la temperatura de procesado para mejorar la adhesión/compactación de la vaina alrededor del hilo de aramida.

La aparición del Segunda observación anomalía (el hilo de aramida se rompe, el FRP permanece intacto) está causada principalmente por deslizamiento relativo entre la varilla de FRP y el tubo suelto circundante. Este deslizamiento reduce significativamente la contribución del FRP a la resistencia total a la tracción. Este escenario se observa con mayor frecuencia en Cables ópticos ADSS rellenos de grasa. Los cables ópticos se clasifican según el método de bloqueo del agua en cables rellenos (rellenos de gel) y cables secos [2]. Realizamos ensayos de resistencia a la rotura tanto en cables rellenos como secos, utilizando equipos, materiales y parámetros de proceso idénticos, con la única diferencia del material de bloqueo del agua (hilos y cintas de bloqueo del agua para cables secos frente a grasa/gel de relleno para cables rellenos). Los resultados de las pruebas se resumen en la tabla siguiente: (Se supone que la tabla sigue a continuación).

Basado en Cuadro 1, La resistencia a la rotura observada (resistencia a la tracción) del cable óptico relleno de gel es inferior a la del cable óptico completamente seco. El comportamiento del cable en el punto de rotura para la muestra rellena, en concreto, muestra que la varilla FRP permaneció intacta (modo de fallo Observación Dos). Esto sugiere un reparto insuficiente de la carga desde el miembro de resistencia central.

En consecuencia, utilizamos el comprobador de fricción estática entre componentes de nuestra empresa para medir la fuerza de fricción entre la varilla de FRP y los componentes de tubo suelto adyacentes, tanto para los cables secos como para los rellenos. A continuación se presentan los resultados de la fuerza de fricción máxima, obtenidos en condiciones de fabricación idénticas:

	Muestra experimental 1	Muestra experimental 2
Fuerza de fricción (N) entre Tubo Suelto y FRP en Cable Todo Seco	88.6	91.2
	88.3	90.8
	89.2	91.4
Fuerza de fricción (N) entre tubo suelto y FRP en cable relleno de gel	45.5	57.3
	44.3	57.6
	46.7	57.4

La comparación experimental de la Tabla 2 muestra claramente que el fuerza de fricción entre el tubo suelto y la varilla FRP en el cable óptico relleno de gel es significativamente inferior a la del cable óptico totalmente seco (Relleno de fricción<Seco de fricción).

Esta diferencia se atribuye a la compuesto de relleno (gel para cables) actuando como lubricante, lo que reduce sustancialmente la fricción entre los dos componentes. Durante la prueba de tracción (resistencia a la rotura), la fuerza de fricción insuficientemente baja entre el tubo suelto y la varilla de FRP provoca... deslizamiento relativo entre ellas. En consecuencia, la varilla de PRFV o bien no soporta la carga axial en su totalidad, o bien proporciona una carga significativamente menor que la carga axial. contribución reducida a la tracción.

3.3.2 Problema de baja fricción entre el tubo suelto y la varilla FRP en cables ópticos rellenos de gel

Para evitar el deslizamiento relativo entre el tubo suelto y el miembro de resistencia (varilla FRP) y aumentar eficazmente la fuerza de fricción entre estos dos componentes, se pueden introducir mejoras desde dos perspectivas principales: la tecnología de procesamiento y la modificación del material.

(I) Perspectiva de mejora de los procesos

Los siguientes resultados de resistencia a la rotura (resistencia a la tracción) se obtuvieron reduciendo únicamente el paso de trenzado del hilo de aramida:

Cable óptico relleno de gel
Pasos de trenzado (mm)	Resistencia a la tracción (kN)	Muestra de rendimiento tras la prueba de rotura
650	16.8	Rotura de todos los componentes del cable excepto el FRP Central.
600	17.3	Rotura de todos los componentes del cable excepto el FRP Central.
550	17.7	Rotura de todos los componentes del cable excepto el FRP Central.
500	18.7	Todos los componentes del cable están rotos.
450	19.6	Todos los componentes del cable están rotos.

Basándose en los resultados experimentales, se puede concluir que reducir el paso de trenzado del hilo de aramida efectivamente aumenta la resistencia a la rotura del cable (resistencia a la tracción).

Este aumento se debe a que el menor paso conduce a una mayor longitud de movimiento axial bajo la fuerza de agarre de los herrajes. De este modo, se prolonga la trayectoria de soporte de tensiones del hilo de aramida, lo que permite que la fuerza de agarre F1 de los herrajes se transfiera con mayor eficacia hacia el interior. Se consigue el objetivo final: la La varilla de FRP y el hilo de aramida soportan la carga simultáneamente.

Sin embargo, teniendo en cuenta la estabilidad del equipo de la jaula de trenzado durante el proceso de producción del cable, el paso de trenzado del hilo no puede ser demasiado pequeño. Además, cuando se reduce el paso de trenzado del hilo de aramida, la tensión del cable aumenta en consecuencia, lo que da lugar a una mayor flecha cuando el cable se instala en el aire y, en última instancia, aumenta la carga del cable.

(II) Perspectiva de modificación material

Para aumentar la fuerza de fricción entre el tubo suelto y el elemento de resistencia, las superficies de contacto de estos componentes pueden hacerse rugosas intencionadamente. La investigación en este campo arroja principalmente los dos métodos siguientes para aumentar la fricción superficial entre los dos componentes:

(1) Uso de FRP trenzado/enrollado helicoidalmente (W-FRP) para aumentar la fricción:

Este método consiste en envolver simultáneamente dos hilos de vidrio alrededor de la superficie de FRP durante el proceso de fabricación de FRP. Los hilos de vidrio que sobresalen de la superficie hacen que el FRP envuelto (W-FRP) significativamente menos suave en comparación con el FRP convencional, aumentando así la fricción.

(2) Adición de una capa gruesa de PE a la superficie de FRP:

Dado que la superficie del FRP es relativamente lisa, una Capa amortiguadora de PE (capa de polietileno) a su superficie. Esta capa gruesa de PE añadida aumenta eficazmente la fricción superficial entre el tubo suelto y el elemento de resistencia (FRP).

Cable óptico relleno de gel
	Fuerza de fricción con tubo suelto (N)	Resistencia a la tracción (kN)	Muestra de rendimiento tras la prueba de rotura
FRP normal	55.7	42.3	Todos los componentes rotos excepto el FRP.
FRP envuelto	188.2	48.7	Todos los componentes se rompieron.
FRP + PE Capa amortiguadora	71	45.4	Todos los componentes rotos excepto el FRP.

Los resultados experimentales indican claramente que utilizando FRP envuelto (W-FRP), La fuerza de fricción entre el tubo suelto y el elemento de resistencia aumenta considerablemente. La muestra de ensayo de rotura muestra entonces una rotura de todos los componentes, lo que sugiere que tanto el hilo de aramida como la varilla de FRP aportaron su máxima contribución a la tracción, dando lugar a una resistencia a la rotura óptima (máxima).

El experimento demuestra con éxito que adoptar FRP envuelto impide eficazmente el fenómeno de “deslizamiento” entre el tubo suelto y el FRP, que de otro modo hace que el FRP permanezca intacto. Esta modificación garantiza que el cable óptico relleno de gel posea una resistencia a la tracción (rotura) significativamente mayor.

4. Investigación de los ajustes de paso de cableado para las jaulas de cableado ADSS

4.1 Utilización del equipo de la jaula de varada

El hilo de aramida es el elemento de tracción (soporte de carga) más importante de un cable ADSS (todo dieléctrico autoportante). Durante la producción del cable, el hilo de aramida se trenza (envuelve) alrededor del núcleo del cable con un paso fijo para minimizar la diferencia de longitud entre los distintos extremos del hilo. Esto es necesario para evitar una reducción de la resistencia del cable. Resistencia nominal a la tracción (RTS) debido a longitudes de hilo desiguales.

El hilo de aramida se alimenta desde el sistema de desembalaje mediante una jaula de encordado bajo una determinada tensión. Por lo tanto, la estabilidad del equipo de la jaula de trenzado es extremadamente importante. Nuestra empresa utiliza actualmente un Amortiguación de bobinas electromagnéticas Jaula de varillas de electrocontrol. Este sistema utiliza la inducción electromagnética para garantizar que el hilo de aramida se alimente uniformemente a un tensión constante y un paso de varada fijo.

Al instalar las bobinas de hilo de aramida, éstas deben distribuirse uniformemente dentro de la jaula de trenzado para garantizar una redondez adecuada de la envoltura. Cuando se utilizan hilos de relleno junto con hilos de aramida, la capa más cercana a la cubierta exterior debe contener la máxima cantidad posible de hilo de aramida, ya que posee una resistencia a la tracción relativa mucho mayor. Además, al instalar las bobinas, deben alternarse los hilos gruesos y finos dentro de la jaula de trenzado para garantizar el rendimiento mecánico del cable.

4.2 Investigación del ajuste de la diferencia de paso de trenzado entre las capas interior y exterior del hilo de aramida

Cuando se requiere un gran número de hilos de aramida, deben utilizarse simultáneamente varias jaulas de trenzado para producir el cable ADSS. Tras el ensayo de tracción, la observación de que algunos hilos permanecen sin romper se debe principalmente a una diferencia de ajuste de paso subóptima entre las jaulas de trenzado interior y exterior.

Por lo tanto, se realizó el siguiente experimento para investigar el ajuste de la diferencia de paso entre las capas interior y exterior de las jaulas de trenzado de hilo de aramida:

Relación entre el paso del hilo exterior A y el paso del hilo interior B (mm)	Resistencia a la tracción (kN)	Muestra de rendimiento tras la prueba de rotura
A > B	40.1	Todos los hilos exteriores se rompieron; los hilos interiores y el FRP permanecieron intactos.
A = B	42.7	Se observó una estratificación significativa en la longitud de rotura del hilo; el FRP permaneció intacto.
A < B	45.3	Todos los componentes de carga se rompieron.

El experimento demuestra que cuando el paso del trenzado del hilo exterior es menor que el paso del trenzado del hilo interior (A<B), todos los componentes se rompen y se alcanza la máxima resistencia a la tracción.Este resultado se produce porque, bajo la fuerza de agarre F 1
del accesorio, a medida que la fuerza se transfiere gradualmente hacia el interior, el hilo exterior soporta la carga antes que el interior. Cuando el paso del hilo exterior es mayor o igual que el paso del hilo interior (A≥B), el hilo exterior alcanzará su alargamiento de rotura más rápidamente y se romperá prematuramente. Esto se debe a que se somete a tensión antes en el ensayo de tracción y a que tiene un paso de trenzado relativamente mayor. Esta distribución desigual de la tensión entre los elementos de tracción se traduce en una menor resistencia global a la rotura del cable.

5.Resumen

Para garantizar que el cable óptico posea una resistencia a la rotura (resistencia a la tracción) cualificada (suficientemente alta), es esencial garantizar una integridad adecuada de la cubierta exterior mediante una selección adecuada de la matriz y ajustes de la temperatura de extrusión, y garantizar que la varilla de FRP contribuya con una fuerza de tracción suficientemente grande estableciendo un paso de trenzado de hilo de aramida adecuado, manteniendo el diferencial correcto de paso de las capas interior y exterior, y utilizando materiales de miembros de resistencia novedosos.