Как обеспечить прочность на разрыв оптических кабелей ADSS?

1.обзор

Основными элементами прочности на растяжение в оптическом кабеле ADSS являются центральный силовой элемент (ЦСМ), обычно изготавливается из Пластик, армированный волокном (FRP), и армирующая нить, который арамидная пряжа. Использование этих растягивающих элементов предотвращает чрезмерное растяжение внутренних оптических волокон при воздушной прокладке кабеля, тем самым уменьшая увеличение дополнительное ослабление. Сайт Предельная прочность на разрыв (UTS) или Номинальная прочность на разрыв (RBS) кабеля ADSS является одним из ключевых показателей, используемых для проверки соответствия характеристик кабеля. Методика обеспечения достаточной прочности на разрыв зависит от конструкции кабеля и требуемой длины пролета. Поэтому контроль производственного процесса, гарантирующий, что кабель обладает заданной прочностью на разрыв, является важнейшим показателем контроля качества.

2.Значение разрывной прочности кабеля ADSS и механизм одновременного распределения нагрузки

Оптические кабели ADSS подвешиваются между несущими конструкциями (столбами/башнями) с определенным саг по заданному длина пролёта, что требует высоких показателей растяжения. Кабель прочность на разрыв (RBS/UTS) является определяющим параметром прочности на осевое растяжение, количественно определяющим эффективность растягивающих элементов. Более высокая прочность на разрыв указывает на превосходное сопротивление осевому растяжению, лучше защищая оптическое волокно от внешних сил, которые могут привести к увеличению деформация волокна и последующий дополнительное ослабление во время эксплуатации. Для достижения максимально возможной прочности на разрыв необходимо, чтобы все растягивающие элементы кабеля ADSS выдерживали нагрузку одновременно. Из-за различных уровней трения между компонентами в разных конструкциях кабелей для обеспечения оптимальных показателей прочности на разрыв в процессе производства требуется различное оборудование, материалы и методы контроля процесса.

3. Обеспечение прочности на разрыв для различных кабельных конструкций

3.1 Основные наблюдения по результатам испытаний на разрывную прочность кабеля

Испытание на прочность на разрыв оптических кабелей ADSS имитирует механические условия при воздушной прокладке. Испытание включает в себя закрепление обоих концов образца кабеля с помощью фитинги (или захватов), прикладывая к одному концу растягивающее усилие и регистрируя максимальную нагрузку в момент разрыва кабеля, которая определяется как прочность на разрыв или Предельная прочность на разрыв (UTS) [1]. Оптический кабель состоит из множества компонентов, включая центральный прочный элемент, оптические волокна, свободные трубки и внешнюю оболочку. Для кабелей ADSS основными несущими элементами являются арамидная пряжа и FRP (пластик, армированный волокнами) стержень. Судя по результатам испытаний на прочность на разрыв, состояние этих двух элементов обычно характеризуется тремя основными последствиями:

(1) Наблюдение первое: арамидные нити и стеклопластик остались целыми (без разрывов) Причиной такого сценария обычно является недостаточная адгезия или уплотнение внешней оболочки вокруг арамидной нити. Когда внешняя оболочка растягивается и опускается под действием напряжения, возникает скольжение возникает между внешней оболочкой и первичным растягивающим элементом (арамидной нитью). Следовательно, арамидная нить и стеклопластиковый элемент неэффективно воспринимают осевую нагрузку.

(2) Наблюдение второе: арамидная нить ломается, стеклопластик остается целым Этот результат говорит о том, что стеклопластик начинает выдерживать нагрузку только после арамидная нить уже достигла предела деформации и разорвалась. Последующее относительное проскальзывание происходит между разорванной арамидной нитью и соседними компонентами внутреннего слоя, что препятствует полной передаче растягивающего усилия внутрь. Поэтому центральный элемент прочности (FRP) остается неразрушенным. В особом случае большая часть арамидной нити разрушается, а часть арамидной нити и стеклопластик остаются целыми. Это часто объясняется аномальным длина укладки арамидных нитей, что приводит к неодновременному распределению нагрузки между арамидными нитями.

(3) Наблюдение третье: Разрыв как арамидной нити, так и стеклопластика Это желаемый результат, поскольку он подтверждает, что и арамидная нить, и стеклопластик обеспечили максимальный вклад в растяжение. В этом случае разрывная прочность кабеля оптимизирована.

3.2 Определение межкомпонентного трения в оптических кабелях

Испытание на разрывную прочность кабеля имитирует натяжение при прокладке кабеля, когда кабель зажимается с обоих концов с помощью фитинги. Фурнитура оказывает внутреннее воздействие сила захвата F1. Осевой растягивающая нагрузка К одному концу кабеля прикладывается сила F2, и измеряется максимальная нагрузка в момент разрыва. Анализ напряжений показывает, что кабель имеет тенденцию к удлинению в направлении приложения силы F2. Растягивающая нагрузка последовательно передается от внешних слоев к внутренним при посредничестве силы захвата F1. Если относительное отставание между любыми двумя компонентами в слое, передача усилия на внутренние компоненты будет прервана. Эти внутренние компоненты не смогут внести свой вклад в общую прочность на разрыв и останутся неразрушенными. Таким образом, обеспечение достаточной сила трения между всеми компонентами очень важна.

Наша компания использует прибор, способный измерять максимальную сила статического трения между соседними компонентами. Это устройство обычно состоит из машины для испытаний на растяжение, выдвижной штанги, зажимной штанги и механизма захвата. Он предназначен для измерения пиковой статической силы трения непосредственно перед началом относительного движения (проскальзывания) между двумя испытуемыми компонентами.

3.3 Обеспечение прочности на разрыв для различных кабельных конструкций

3.3.1 Устранение аномальных результатов испытаний на разрыв

Чтобы предотвратить аномальную ситуацию Наблюдение первое (арамидные нити и стеклопластик остаются неповрежденными), необходимо обеспечить достаточно высокую прочность внешней оболочки. усилие укупорки (или целостность/непроницаемость оболочки). Ключевые факторы управления для достижения этой цели включают выбор соответствующих размеров вершины и торца штампа или увеличение расстояния между ними для повышения давление экструзии, и оптимизация температуры обработки для повышения адгезии/уплотнения оболочки вокруг арамидной нити.

Появление Наблюдение второе аномалия (арамидная нить разрывается, стеклопластик остается целым) вызвана в первую очередь относительное отставание между стеклопластиковым стержнем и окружающей его свободной трубой. Такое проскальзывание значительно снижает вклад стеклопластика в общую прочность на растяжение. Такой сценарий чаще всего наблюдается в Оптические кабели ADSS с консистентной смазкой. Оптические кабели подразделяются по способу блокировки воды на заполненные (гель-наполненные) кабели и сухие кабели [2]. Мы провели испытания на прочность на разрыв как заполненных, так и сухих кабелей, используя идентичное оборудование, материалы и технологические параметры, с единственным различием в материале, блокирующем воду (блокирующие воду нити и ленты для сухих кабелей против заполняющей смазки/геля для заполненных кабелей). Результаты испытаний обобщены в таблице ниже: (Предполагается, что таблица приведена ниже).

На основе Таблица 1, Наблюдаемая прочность на разрыв (предел прочности) оптического кабеля, заполненного гелем, ниже, чем у полностью сухого оптического кабеля. Характеристики кабеля в точке разрыва для заполненного образца показывают, что стеклопластиковый стержень остался неповрежденным (режим разрушения Наблюдение два). Это говорит о недостаточном распределении нагрузки от центрального силового элемента.

Поэтому для измерения силы трения между стеклопластиковым стержнем и прилегающими к нему свободными трубчатыми компонентами как для сухих, так и для заполненных кабелей мы использовали имеющийся у нашей компании тестер статического трения. Ниже представлены результаты измерения максимальной силы трения, полученные при идентичных условиях производства:

	Экспериментальный образец 1	Экспериментальный образец 2
Сила трения (Н) между свободной трубкой и стеклопластиком в сухом кабеле	88.6	91.2
	88.3	90.8
	89.2	91.4
Сила трения (Н) между свободной трубкой и стеклопластиком в кабеле с гелевым наполнителем	45.5	57.3
	44.3	57.6
	46.7	57.4

Экспериментальное сравнение, приведенное в таблице 2, ясно показывает, что сила трения между свободной трубой и стеклопластиковым стержнем в оптический кабель с гелевым наполнителем значительно меньше, чем в полностью сухой оптический кабель (Friction Filled<Friction Dry).

Эта разница объясняется тем, что заливочный компаунд (кабельный гель) действующий как смазка, что существенно снижает трение между двумя компонентами. Во время испытания на растяжение (прочность на разрыв) недостаточно низкая сила трения между свободной трубой и стеклопластиковым стержнем вызывает относительное отставание между ними. Следовательно, стеклопластиковый стержень либо не выдерживает осевую нагрузку полностью, либо обеспечивает значительную уменьшенный вклад в растяжение.

3.3.2 Проблема низкого трения между свободной трубкой и стеклопластиковым стержнем в оптических кабелях с гелевым наполнителем

Чтобы предотвратить относительное проскальзывание между свободной трубой и прочным элементом (стеклопластиковым стержнем) и эффективно увеличить силу трения между этими двумя компонентами, улучшения могут быть сделаны с двух основных точек зрения: технология обработки и модификация материала.

(I) Перспектива совершенствования процессов

Следующие результаты по разрывной прочности (прочности на разрыв) были получены только при уменьшении шага скрутки арамидных нитей:

Оптический кабель с гелевым наполнителем
Шаги скрутки (мм)	Прочность на разрыв (кН)	Образец характеристик после испытания на разрыв
650	16.8	Все компоненты кабеля разорваны кроме Центрального ПФО.
600	17.3	Все компоненты кабеля разорваны кроме Центрального ПФО.
550	17.7	Все компоненты кабеля разорваны кроме Центрального ПФО.
500	18.7	Все компоненты кабеля разорваны.
450	19.6	Все компоненты кабеля разорваны.

На основании результатов эксперимента можно сделать вывод, что уменьшение шага скрутки арамидной нити эффективно увеличивает прочность кабеля на разрыв (растяжение).

Это увеличение обусловлено тем, что меньший шаг приводит к увеличению длины осевого перемещения под действием силы захвата арматуры. Это удлиняет путь арамидной нити, позволяя более эффективно передавать усилие захвата арматуры F1 внутрь. Достигнута конечная цель: Стеклопластиковый стержень и арамидная нить выдерживают нагрузку одновременно.

Однако, учитывая стабильность оборудования для скрутки в процессе производства кабеля, шаг скрутки пряжи не может быть слишком мал. Кроме того, при уменьшении шага скрутки арамидных нитей соответственно увеличивается деформация кабеля, что приводит к увеличению провисания при воздушной прокладке кабеля и, в конечном счете, к увеличению нагрузки на кабель.

(II) Перспектива модификации материала

Чтобы увеличить силу трения между свободной трубой и силовым элементом, контактные поверхности этих компонентов можно намеренно сделать шероховатыми (грубыми). Исследования в этой области в основном дают следующие два метода увеличения поверхностного трения между двумя компонентами:

(1) Использование многослойного/эластичного стеклопластика (W-FRP) для увеличения трения:

Этот метод предполагает одновременное наматывание двух стеклянных нитей на поверхность стеклопластика в процессе его изготовления. Выступающие из поверхности стеклянные нити делают Обернутый стеклопластик (W-FRP) значительно менее гладкие по сравнению с обычным стеклопластиком, что увеличивает трение.

(2) Добавление грубого полиэтиленового прокладочного слоя на поверхность стеклопластика:

Поскольку поверхность стеклопластика относительно гладкая, грубая Слой полиэтиленовой подушки (слой полиэтилена) наносится на его поверхность. Этот дополнительный слой грубого полиэтилена эффективно увеличивает поверхностное трение между свободной трубой и прочным элементом (FRP).

Оптический кабель с гелевым наполнителем
	Сила трения при свободной трубке (Н)	Прочность на разрыв (кН)	Образец характеристик после испытания на разрыв
Обычный стеклопластик	55.7	42.3	Все компоненты разорваны кроме ПФО.
Обернутый стеклопластик	188.2	48.7	Все компоненты разорваны.
Слой подушки из стеклопластика + полиэтилен	71	45.4	Все компоненты разорваны кроме ПФО.

Экспериментальные результаты ясно показывают, что использование Обернутый стеклопластик (W-FRP), При этом сила трения между свободной трубкой и прочным элементом значительно возрастает. После этого образец для испытаний на разрыв демонстрирует разрыв все компоненты, Это говорит о том, что и арамидная нить, и стеклопластиковый стержень обеспечили максимальный вклад в растяжение, что привело к оптимальной (максимальной) прочности на разрыв.

Эксперимент успешно демонстрирует, что принятие Обернутый стеклопластик эффективно предотвращает явление “проскальзывания” между свободной трубкой и стеклопластиком, которое в противном случае приводит к сохранению целостности стеклопластика. Благодаря этой модификации оптический кабель с гелевым наполнителем обладает значительно более высокой прочностью на разрыв (растяжение).

4. Исследование параметров шага скрутки для кабельных скруток ADSS

4.1 Использование оборудования клетки для стравливания

Арамидная нить является наиболее важным растягивающим (несущим) элементом в кабеле ADSS (All-Dielectric Self-Supporting). При производстве кабеля арамидная пряжа скручивается (наматывается) вокруг сердечника кабеля с фиксированным шагом, чтобы минимизировать разницу в длине между различными концами пряжи. Это необходимо для предотвращения уменьшения Номинальная прочность на разрыв (RTS) из-за неравномерной длины пряжи.

Арамидная нить подается из системы оплаты с помощью крутильного сепаратора под определенным натяжением. Поэтому стабильность оборудования для скрутки очень важна. В настоящее время наша компания использует Электромагнитная катушка демпфирования Электроуправление Клетка для скрутки. Эта система использует электромагнитную индукцию для обеспечения равномерной подачи арамидной пряжи при постоянное напряжение и фиксированный шаг скрутки.

При установке шпули с арамидными нитями они должны быть равномерно распределены в клетке для скручивания, чтобы обеспечить надлежащую округлость обмотки. Если наряду с арамидными нитями используются нити наполнителя, слой, расположенный ближе всего к внешней оболочке, должен содержать максимально возможное количество арамидных нитей, поскольку они обладают гораздо более высокой относительной прочностью на разрыв. Кроме того, при установке шпули необходимо чередовать грубые и тонкие нити в сепараторе для обеспечения механических характеристик кабеля.

4.2 Исследование установки разницы шага скрутки между внутренними и внешними слоями арамидной пряжи

Если требуется большое количество арамидных нитей, для производства кабеля ADSS необходимо одновременно использовать несколько сепараторов для скручивания. После испытания на растяжение можно заметить, что некоторые нити остаются нерастянутыми, в основном из-за неоптимальной разницы в шаге между внутренней и внешней сепараторами для скрутки.

Поэтому был проведен следующий эксперимент по исследованию настройки разницы шага между внутренним и внешним слоями сепараторов для скручивания арамидных нитей:

Соотношение между шагом внешней пряжи A и шагом внутренней пряжи B (мм)	Прочность на разрыв (кН)	Образец характеристик после испытания на разрыв
A > B	40.1	Все внешние нити разорвались; внутренние нити и стеклопластик остались неповрежденными.
A = B	42.7	Наблюдалось значительное расслоение по длине разрыва нити; стеклопластик оставался неповрежденным.
A < B	45.3	Все несущие компоненты разорвались.

Эксперимент показывает, что когда шаг скрутки внешней пряжи меньше шага скрутки внутренней пряжи (A<B), все компоненты разрываются и достигается максимальная прочность на разрыв. Это происходит потому, что под действием силы захвата F 1
фитинга, по мере того как усилие постепенно передается внутрь, внешняя нить выдерживает нагрузку раньше внутренней. Если шаг внешней пряжи больше или равен шагу внутренней пряжи (A≥B), внешняя пряжа быстрее достигнет своего разрывного удлинения и преждевременно разорвется. Это связано с тем, что при испытании на растяжение она подвергается нагрузке раньше и имеет относительно больший шаг скрутки. Такое неравномерное распределение напряжения между элементами растяжения приводит к снижению общей прочности кабеля на разрыв.

5.Резюме

Чтобы обеспечить оптическому кабелю квалифицированную (достаточно высокую) прочность на разрыв (растяжение), необходимо гарантировать достаточную целостность внешней оболочки за счет соответствующего выбора фильеры и температурного режима экструзии, а также обеспечить достаточно большое растягивающее усилие стеклопластикового стержня за счет правильного шага скрутки арамидных нитей, поддержания правильной разницы в шаге внутреннего и внешнего слоев и использования новых материалов прочностных элементов.