Como garantir a resistência à tração dos cabos ópticos ADSS?

1. visão geral

Os principais elementos de resistência à tração em um cabo óptico ADSS são: membro de força central (CSM), normalmente feito de Plástico Reforçado com Fibra (FRP), e o fio de reforço, que é fio de aramida. O uso desses elementos de tração evita que as fibras ópticas internas suportem tensões excessivas quando o cabo é instalado aereamente, mitigando assim o aumento de atenuação adicional. O Resistência à Tração Máxima (UTS) ou Resistência à ruptura nominal (RBS) A resistência à tração do cabo ADSS é um dos principais indicadores utilizados para verificar a conformidade do desempenho do cabo. A metodologia para garantir a resistência à tração adequada varia de acordo com a estrutura do cabo e o vão necessário. Portanto, controlar o processo de produção para garantir que o cabo possua a resistência à tração especificada é uma métrica crucial de controle de qualidade.

2. Importância da resistência à ruptura do cabo ADSS e do mecanismo de compartilhamento simultâneo de carga

Os cabos ópticos ADSS são suspensos entre estruturas de suporte (postes/torres) com uma flacidez sobre um dado comprimento do vão, o que exige alto desempenho de tração. O cabo resistência à ruptura (RBS/UTS) é o parâmetro definidor de sua resistência à tração axial, quantificando a eficácia dos elementos de tração. Uma maior resistência à ruptura indica uma resistência à tração axial superior, protegendo melhor as fibras ópticas de forças externas que podem levar a um aumento na tensão da fibra e subsequente atenuação adicional durante a operação. Para atingir a máxima resistência à ruptura possível, é essencial que todos os elementos de tração dentro do cabo ADSS suportem a carga simultaneamente. Devido aos diferentes níveis de atrito entre componentes em diferentes projetos de cabos, equipamentos, materiais e métodos de controle de processo distintos são necessários durante a fabricação para garantir o desempenho ideal de resistência à tração.

3. Garantindo a resistência à tração para diferentes estruturas de cabos

3.1 Observações primárias dos testes de resistência à ruptura de cabos

O teste de resistência à ruptura para cabos ópticos ADSS simula o ambiente mecânico durante a instalação aérea. O teste envolve a fixação de ambas as extremidades de uma amostra de cabo com acessórios (ou garras), aplicando uma força de tração em uma extremidade e registrando a carga máxima no momento da ruptura do cabo, que é definida como a resistência à ruptura ou Resistência à Tração Máxima (UTS) [1]. Um cabo óptico é composto por múltiplos componentes, incluindo o elemento de reforço central, fibras ópticas, tubos soltos e uma bainha externa. Para cabos ADSS, os principais elementos de suporte de carga são: fio de aramida e o FRP (Plástico Reforçado com Fibra) haste. Com base nos resultados dos testes de resistência à ruptura, a condição desses dois elementos normalmente apresenta três resultados principais:

(1) Observação Um: O fio de aramida e o FRP permanecem intactos (sem quebra) Este cenário é normalmente causado por adesão ou compactação insuficiente da capa externa ao redor do fio de aramida. À medida que a capa externa se estica e se estreita sob tensão, ocorre uma escorregar ocorre entre a bainha externa e o elemento de tração primário (fio de aramida). Consequentemente, o fio de aramida e o elemento de PRFV não suportam efetivamente a carga axial.

(2) Observação dois: o fio de aramida se rompe, o FRP permanece intacto Este resultado sugere que o FRP apenas começa a suportar a carga depois o fio de aramida já atingiu seu limite máximo de deformação e se rompeu. Relação relativa subsequente deslizamento ocorre entre o fio de aramida rompido e os componentes da camada interna adjacente, impedindo a transferência total da força de tração para o interior. Portanto, o elemento de resistência central (FRP) permanece intacto. Um caso especial envolve a quebra da maior parte do fio de aramida, enquanto parte do fio de aramida e do FRP permanecem intactos. Isso é frequentemente atribuído a anormalidades comprimento de encordoamento de aramida, o que resulta em compartilhamento de carga não simultâneo entre os fios de aramida.

(3) Observação Três: Ruptura do Fio de Aramida e do FRP Este é o resultado desejado, pois confirma que tanto o fio de aramida quanto o PRFV forneceram sua máxima contribuição à tração. Neste caso, a resistência à ruptura do cabo é otimizada.

3.2 Determinação do atrito entre componentes em cabos ópticos

O teste de resistência à ruptura do cabo simula a aplicação de tensão durante a instalação do cabo, onde o cabo é preso em ambas as extremidades por acessórios. Os acessórios exercem uma pressão para dentro força de preensão F1​. Um axial carga de tração F2​ é aplicado em uma extremidade e a carga máxima no momento da ruptura é medida. Por meio da análise de tensões, entende-se que o cabo tende a se alongar na direção do F2​ aplicado. A carga de tração é transferida sequencialmente das camadas externas para as internas, mediada pela força de preensão F1​. Se deslizamento relativo Se ocorrer entre quaisquer dois componentes dentro de uma camada, a transferência de força para os componentes internos será interrompida. Esses componentes internos não contribuirão para a resistência à ruptura geral e permanecerão intactos. Assim, garantindo a resistência adequada força de atrito entre todos os componentes é extremamente importante.

Nossa empresa utiliza um instrumento capaz de medir o máximo força de atrito estático entre componentes adjacentes. Este dispositivo normalmente consiste em uma máquina de ensaio de tração, uma haste de extração do componente, uma haste de fixação do componente e um mecanismo de preensão. Ele é projetado para medir o pico da força de atrito estático imediatamente antes do início do movimento relativo (deslizamento) entre os dois componentes testados.

3.3 Garantindo a resistência à tração para diferentes estruturas de cabos

3.3.1 Abordando resultados de testes de interrupção anômalos

Para evitar a situação anómala de Observação Um (O fio de aramida e o FRP permanecem intactos), é necessário garantir que a bainha externa tenha uma resistência suficientemente alta força de limitação (ou integridade/estanqueidade da bainha). Os principais fatores de controle para atingir isso incluem a seleção das dimensões apropriadas da ponta e da face da matriz ou o aumento da distância entre elas para aumentar a pressão de extrusão, e otimizar a temperatura de processamento para melhorar a adesão/compactação da bainha ao redor do fio de aramida.

A ocorrência do Observação Dois anomalia (quebra do fio de aramida, o FRP permanece intacto) é causada principalmente por deslizamento relativo entre a haste de PRFV e o tubo solto circundante. Este deslizamento reduz significativamente a contribuição do PRFV para a resistência à tração total. Este cenário é mais comumente observado em Cabos ópticos ADSS cheios de graxa. Os cabos ópticos são categorizados pelo método de bloqueio de água em cabos preenchidos (preenchidos com gel) e cabos secos [2]. Realizamos testes de resistência à ruptura em cabos preenchidos e secos, utilizando equipamentos, materiais e parâmetros de processo idênticos, com a única diferença sendo o material de bloqueio de água (fios e fitas de bloqueio de água para cabos secos versus graxa/gel de enchimento para cabos preenchidos). Os resultados dos testes estão resumidos na tabela abaixo: (A tabela é apresentada a seguir).

Baseado em Tabela 1, a resistência à ruptura (resistência à tração) observada no cabo óptico preenchido com gel é menor do que a do cabo óptico totalmente seco. O desempenho do cabo no ponto de ruptura para a amostra preenchida, especificamente, mostra que a haste de FRP permaneceu intacta (Observação Dois do modo de falha). Isso sugere compartilhamento insuficiente de carga do elemento de reforço central.

Consequentemente, utilizamos o Testador de Atrito Estático Intercomponente da nossa empresa para medir a força de atrito entre a haste de PRFV e os componentes tubulares soltos adjacentes, tanto para os cabos secos quanto para os preenchidos. Os resultados da força máxima de atrito, obtidos em condições de fabricação idênticas, são apresentados a seguir:

	Amostra Experimental 1	Amostra Experimental 2
Força de atrito (N) entre Loose Tube e FRP em Cabo All-Dry	88.6	91.2
	88.3	90.8
	89.2	91.4
Força de atrito (N) entre tubo solto e FRP em cabo preenchido com gel	45.5	57.3
	44.3	57.6
	46.7	57.4

A comparação experimental na Tabela 2 mostra claramente que o força de atrito entre o tubo solto e a haste de FRP no cabo óptico preenchido com gel é significativamente menor do que no cabo óptico totalmente seco (Preenchimento de atrito

Essa diferença é atribuída à composto de enchimento (gel para cabos) atuando como um lubrificante, o que reduz substancialmente o atrito entre os dois componentes. Durante o ensaio de tração (resistência à ruptura), a força de atrito insuficientemente baixa entre o tubo solto e a haste de FRP causa deslizamento relativo entre eles. Consequentemente, a haste de FRP não consegue suportar a carga axial completamente ou fornece uma carga significativamente contribuição de tração reduzida.

3.3.2 Problema de baixo atrito entre tubo solto e haste de FRP em cabos ópticos preenchidos com gel

Para evitar o deslizamento relativo entre o tubo solto e o elemento de resistência (haste de FRP) e aumentar efetivamente a força de atrito entre esses dois componentes, melhorias podem ser feitas a partir de duas perspectivas principais: tecnologia de processamento e modificação de material.

(I) Perspectiva de Melhoria de Processos

Os seguintes resultados de resistência à ruptura (resistência à tração) foram obtidos reduzindo-se apenas o passo de torção do fio de aramida:

Cabo óptico preenchido com gel
Passos de encalhe (mm)	Resistência à tração (kN)	Exemplo de desempenho após teste de quebra
650	16.8	Todos os componentes do cabo rompidos exceto o FRP Central.
600	17.3	Todos os componentes do cabo rompidos exceto o FRP Central.
550	17.7	Todos os componentes do cabo rompidos exceto o FRP Central.
500	18.7	Todos os componentes do cabo romperam.
450	19.6	Todos os componentes do cabo romperam.

Com base nos resultados experimentais, pode-se concluir que reduzindo o passo de torção do fio de aramida efetivamente aumenta a resistência à ruptura do cabo (resistência à tração).

Este aumento deve-se ao menor passo, que resulta em um maior comprimento de movimento axial sob a força de preensão dos encaixes. Isso prolonga o caminho de suporte de tensão do fio de aramida, permitindo que a força de preensão F1​ do encaixe seja transferida de forma mais eficaz para dentro. O objetivo final é alcançado: A barra de FRP e o fio de aramida suportam a carga simultaneamente.

No entanto, considerando a estabilidade do equipamento da gaiola de torção durante o processo de produção do cabo, o passo de torção do fio não pode ser ajustado muito baixo. Além disso, quando o passo de torção do fio de aramida é reduzido, a deformação do cabo aumenta proporcionalmente, resultando em maior flecha quando o cabo é instalado de forma aérea, aumentando, consequentemente, a carga do cabo.

(II) Perspectiva de modificação de material

Para aumentar a força de atrito entre o tubo solto e o elemento de reforço, as superfícies de contato desses componentes podem ser intencionalmente rugosas (tornadas grosseiras). Pesquisas nessa área produzem principalmente os dois métodos a seguir para aumentar o atrito da superfície entre os dois componentes:

(1) Uso de FRP trançado/enrolado helicoidalmente (W-FRP) para aumentar o atrito:

Este método envolve enrolar simultaneamente dois fios de vidro ao redor da superfície de PRFV durante o processo de fabricação. Os fios de vidro que se projetam da superfície formam a FRP Envolto (W-FRP) significativamente menos suave em comparação ao FRP convencional, aumentando assim o atrito.

(2) Adicionando uma camada de almofada de PE grossa à superfície de FRP:

Como a superfície do FRP é relativamente lisa, uma superfície grossa Camada de almofada de PE (camada de polietileno) é aplicada à sua superfície. Essa camada grossa de PE adicionada aumenta efetivamente o atrito da superfície entre o tubo solto e o elemento de reforço (FRP).

Cabo óptico preenchido com gel
	Força de atrito com tubo solto (N)	Resistência à tração (kN)	Exemplo de desempenho após teste de quebra
FRP normal	55.7	42.3	Todos os componentes rompidos exceto o PRFV.
FRP envolto	188.2	48.7	Todos os componentes rompidos.
Camada de amortecimento FRP + PE	71	45.4	Todos os componentes rompidos exceto o PRFV.

Os resultados experimentais indicam claramente que, ao usar FRP Envolto (W-FRP), a força de atrito entre o tubo solto e o elemento de resistência aumenta significativamente. A amostra de teste de ruptura mostra então uma ruptura de todos os componentes, o que sugere que tanto o fio de aramida quanto a haste de FRP forneceram suas contribuições máximas de tração, resultando em uma resistência à ruptura ótima (máxima).

A experiência demonstra com sucesso que a adopção FRP envolto previne eficazmente o fenômeno de "deslizamento" entre o tubo solto e o PRFV, que, de outra forma, faria com que o PRFV permanecesse intacto. Essa modificação garante que o cabo óptico preenchido com gel possua uma resistência à tração (ruptura) significativamente maior.

4. Investigação das configurações de passo de torção para gaiolas de torção de cabos ADSS

4.1 Utilização do Equipamento de Gaiola de Encalhe

O fio de aramida é o elemento de tração (suporte de carga) mais crucial em um cabo ADSS (All-Dielectric Self-Supporting). Durante a produção do cabo, o fio de aramida é trançado (enrolado) ao redor do núcleo do cabo em um passo fixo para minimizar a diferença de comprimento entre as várias extremidades do fio. Isso é necessário para evitar a redução da resistência do cabo. Resistência à Tração Nominal (RTS) devido a comprimentos desiguais dos fios.

O fio de aramida é alimentado a partir do sistema de desbobinamento por meio de uma gaiola de torção sob uma determinada tensão. Portanto, a estabilidade do equipamento da gaiola de torção é extremamente importante. Nossa empresa utiliza atualmente um Amortecimento de bobina eletromagnética com gaiola de encordoamento eletro-controlada. Este sistema utiliza indução eletromagnética para garantir que o fio de aramida seja alimentado uniformemente a uma tensão constante e um passo de encalhe fixo.

Ao instalar as bobinas de fio de aramida, elas devem ser distribuídas uniformemente dentro da gaiola de torção para garantir a circularidade adequada do enrolamento. Quando fios de enchimento são usados juntamente com fios de aramida, a camada mais próxima da capa externa deve conter a maior quantidade possível de fio de aramida, pois possui uma resistência à tração relativa muito maior. Além disso, ao instalar as bobinas, fios grossos e finos devem ser alternados dentro da gaiola de torção para garantir o desempenho mecânico do cabo.

4.2 Investigação da diferença de passo de torção entre camadas internas e externas de fios de aramida

Quando um grande número de fios de aramida é necessário, múltiplas gaiolas de torção devem ser usadas simultaneamente para produzir o cabo ADSS. Após o ensaio de tração, a observação de que alguns fios permanecem intactos deve-se principalmente a uma diferença de ajuste de passo abaixo do ideal entre as gaiolas de torção interna e externa.

Portanto, o seguinte experimento foi conduzido para investigar a configuração da diferença de passo entre as camadas interna e externa das gaiolas de torção de fios de aramida:

Relação entre o passo do fio externo A e o passo do fio interno B (mm)	Resistência à tração (kN)	Exemplo de desempenho após teste de quebra
A > B	40.1	Todos os fios externos se romperam; os fios internos e o PRFV permaneceram intactos.
A = B	42.7	Estratificação significativa observada no comprimento de ruptura do fio; o PRFV permaneceu intacto.
A < B	45.3	Todos os componentes de suporte de carga romperam.

O experimento demonstra que quando o passo de torção do fio externo é menor que o passo de torção do fio interno (A
​do encaixe, à medida que a força é gradualmente transferida para dentro, o fio externo suporta a carga antes do fio interno. Quando o Passo do Fio Externo é maior ou igual ao Passo do Fio Interno (A≥B), o fio externo atingirá seu alongamento de ruptura mais rapidamente e se romperá prematuramente. Isso se deve ao fato de ter sido tensionado mais cedo no ensaio de tração e ter um passo de torção relativamente maior. Essa distribuição desigual de tensões entre os elementos de tração resulta em uma menor resistência geral à ruptura do cabo.

5. Resumo

Para garantir que o cabo óptico possua uma resistência à ruptura (resistência à tração) qualificada (suficientemente alta), é essencial garantir a integridade adequada da bainha externa por meio da seleção apropriada da matriz e das configurações de temperatura de extrusão, e garantir que a haste de FRP contribua com uma força de tração suficientemente grande definindo um passo de torção de fio de aramida adequado, mantendo o diferencial correto do passo das camadas interna e externa e utilizando novos materiais de elementos de resistência.