俞興明，李 寰

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104；2.吳江市勝信光電科技有限公司，江蘇 吳江 215200）

光纜的結(jié)構(gòu)是根據(jù)不同的使用場合和使用環(huán)境設(shè)計的.大芯數(shù)松套層絞式光纜主要用于城域網(wǎng)和用戶接入網(wǎng)的干線光纜，在敷設(shè)和使用過程中不可避免地使光纜承受拉伸力，同時，我國幅員遼闊，在南方使用的光纜所處溫度可達60 ℃以上，在北方的冬季最低溫度可達-30 ℃以下，在西南地區(qū)晝夜溫差達20 ℃以上，因此，影響該類光纜的傳輸性能乃至使用壽命的主要是拉伸性能和耐高低溫性能.國家通信行業(yè)標準YD/T 901對光纜的拉伸性能和溫度性能有明確的指標要求，通信光纜制造廠必須合理設(shè)計光纜的結(jié)構(gòu)、選擇合適的材料、并且在生產(chǎn)過程中對關(guān)鍵參數(shù)嚴格控制，才能生產(chǎn)出符合標準要求的合格光纜.本文以GYTA 144B1型松套層絞式光纜為例，討論光纜結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計，特別是光纖無應(yīng)變時光纜拉伸窗口的設(shè)計、材料選擇，最后給出實際的光纜拉伸試驗結(jié)果.

1 松套層絞式光纜的結(jié)構(gòu)

通信光纜的結(jié)構(gòu)主要有層絞式、中心束管式和骨架式三種典型形式，目前國內(nèi)采用較多是層絞式和中心束管式.GYTA 144B1型144芯松套層絞式光纜的結(jié)構(gòu)如圖1所示.光纜纜芯是由中心加強構(gòu)件、松套光纖、扎紗和鋁帶聚乙烯粘結(jié)護套等組成.光纜內(nèi)所有空間都應(yīng)填充復(fù)合物，形成全截面阻水結(jié)構(gòu).每管松套光纖由12根光纖組成，為便于各松套管識別，松套管采用紅、綠領(lǐng)示色譜.松套管內(nèi)光纖遵照藍、桔、綠、棕、灰、白、紅、黑、黃、紫、粉紅、青綠的色譜規(guī)定.

GYTA 144B1光纜纜芯的成纜由外徑相同的12管松套光纖以SZ絞方式(如圖2所示)、以合理的節(jié)距和適當?shù)膹埩咏g在中心加強構(gòu)件的四周.松套管采用領(lǐng)示色譜時，領(lǐng)示色為紅色和綠色，面向光纜A端，在順時針方向上紅和綠順序排列.

圖1 GYTA 144B1光纜結(jié)構(gòu)圖

圖2 SZ絞臺示意圖

2 光纜結(jié)構(gòu)尺寸的確定和材料選擇

2.1 光纖松套管

(1) 光纖松套管的尺寸根據(jù)管中光纖的數(shù)量來確定，同一光纜中其松套管的尺寸相同.所生產(chǎn)的12芯光纖松套管，其外徑為Ф(2.20±0.05) mm，壁厚為(0.40±0.05) mm，內(nèi)徑為(1.40±0.10) mm.松套管中光纖為G.652D標準單模光纖.

(2) 光纜中最常用的松套管材料為工程塑料PBT(Polybutylene terephthalate)，選擇PBT材料時應(yīng)符合國家通信行業(yè)標準YD／T 1118.1-2001《光纖用二次被覆材料第一部分：聚對苯二甲酸丁二醇酯》的要求.PBT主要技術(shù)性能指標有：屈服拉伸強度、屈服伸長率、斷裂伸長率、拉伸彈性模量、邵氏硬度等.松套管填充油膏是一種觸變型的復(fù)合物，通常簡稱纖膏，填充的纖膏應(yīng)不損害光纖的光傳輸特性和使用壽命，選用時應(yīng)符合YD／T 839.3-1996《通信電纜光纜用填充和涂覆復(fù)合物第三部分：冷應(yīng)用型填充復(fù)合物》的規(guī)定.

(3) 松套管中的光纖余長控制，光纖余長是指光纖相對于松套管的富余長度.光纖套塑工序是控制光纖余長的關(guān)鍵，生產(chǎn)中主要利用PBT材料與光纖的線熱脹系數(shù)相差較大，如PBT的熱脹系數(shù)為70×10-6，二氧化硅為0.6×10-6，采用二次冷卻方式，即溫差法來形成光纖相對松套管形成正余長，在二次套塑時控制余長在0.3‰～0.5‰.

2.2 加強構(gòu)件

(1) 加強構(gòu)件材料選擇，金屬加強構(gòu)件，選用經(jīng)過防腐處理的高強度光纜專用單圓磷化鋼絲，其楊氏模量應(yīng)不低于190 GPa，中心加強構(gòu)件在光纜制造長度內(nèi)不允許接頭，包括墊層在內(nèi)的直徑Ф7.0 mm.在鋼絲外緊密擠包一層適當厚度的塑料墊層，墊層表面應(yīng)圓整光滑，外徑達到工藝規(guī)定的尺寸，墊層與鋼絲之間必須緊密結(jié)合，防止間隙縱向滲水，其材料與填充纜膏應(yīng)相容.

(2) 中心加強構(gòu)件的結(jié)構(gòu)尺寸，中心加強構(gòu)件是光纜在生產(chǎn)、施工和應(yīng)用時承受拉力的關(guān)鍵元件.本光纜的中心加強構(gòu)件采用單股磷化高碳鋼絲，外面擠包一層MDPE塑料墊層.包覆墊層后的外徑主要是為了滿足其四周排列12根光纖松套管的需要；鋼絲的直徑要滿足光纜承受YD/T 901-2001標準的相關(guān)要求.鋼絲直徑d可用下式計算[1]

式中：F為YD／901-2001標準所要求的光纜能承受短期拉力(1 500 N)，εc為光纜中光纖允許的應(yīng)變(＜0.1%)時光纜拉伸窗口，取保守的經(jīng)驗值2.0‰(見下文計算)，E為加強件的楊氏模量(≥190 GPa).

把上述數(shù)據(jù)代入公式計算得出，d=2.25 mm.為了保險起見，取磷化鋼絲直徑d=2.5 mm即可.

2.3 絞纜

制造的GYTA 144B1光纜采用SZ絞，把松套光纖絞合在中心加強構(gòu)件上，并用扎紗扎牢.松套光纖SZ絞在中心加強構(gòu)件的好處是能進一步獲得無光纖應(yīng)變時光纜的拉伸窗口，絞合節(jié)距h越小，光纜拉伸窗口εc越大.另外，SZ絞反轉(zhuǎn)處還有一個附加的拉伸窗口，其值約為1‰，進一步改善了光纜的拉伸性能[2].

光纜成纜時，松套光纖放線張力的調(diào)整很關(guān)鍵，調(diào)整其張力的大小，可以控制成纜后消除光纖在松套管中的多余的原始余長，使光纖在松套管中占中心的位置.

假設(shè)絞合成纜后光纖都處于松套管的中心位置，則光纜的拉伸窗口可由下式計算[2]：

式中：b為光纖松套管的絞合半徑；h為絞合節(jié)距；r為光纖在松套管中的自由度，由下式計算：

式中：din為光纖松套管內(nèi)經(jīng)；df為光纖束等效直徑

式中：n為松套管內(nèi)光纖的芯數(shù)；d0為單根光纖的直徑.

GYTA 144B1光纜的h=150 mm，b=7.0/2+2.2/2=4.6 mm，n=12，d0=0.25 mm.將這些數(shù)據(jù)代入式(2)～式(4)，計算得到此光纜的拉伸窗口εc=1.56‰，再加上SZ絞轉(zhuǎn)向處的附加拉伸窗口1‰，此光纜的總的拉伸窗口應(yīng)為2.56‰.

2.4 護套

護套為鋁塑粘結(jié)綜合護套，護套材料采用線性低密度聚乙烯(LLDPE)，成品光纜直徑約16.4 mm.護套的機械物理和耐環(huán)境性能應(yīng)滿足國家通信行業(yè)標準YD／T 901-2001的要求.

3 GYTA 144B1型光纜的拉伸應(yīng)變性能試驗

光纜在實際生產(chǎn)、敷設(shè)和使用過程中受到的力主要是拉伸力，因此光纜的機械性能中最重要的是拉伸性能.通常將光纜所受的拉伸力歸結(jié)為兩種：一種是長期受力，這是指光纜在敷設(shè)后在長期使用過程中所受的殘余拉伸力；二是指光纜的短期受力，這是指光纜在敷設(shè)過程中可能受到的拉伸力.國家通信光纜行業(yè)標準TD／T 901-2001對此兩種情況下都作了光纖的最大允許應(yīng)變和附加衰減的規(guī)定[3]，如表1所示.

光纜松套管內(nèi)光纖余長的波動及拉伸的情況，可從測試光纜拉伸應(yīng)變曲線和衰減變化曲線分析得出結(jié)果.因此通過測試光纜的拉伸應(yīng)變特性曲線可以反映出光纜的設(shè)計參數(shù)和生產(chǎn)控制參數(shù)，并及時進行調(diào)整和控制.

對按照上述方案設(shè)計制造的GYTA 144B1光纜在光纜拉伸試驗機上進行拉伸應(yīng)變試驗，試驗主要設(shè)備為上海電纜研究所制造的PK2800型光纜色散應(yīng)變測試儀.受試光纜長度為50 m，拉伸速率為10 mm/min，持續(xù)時間1 min，卡盤直徑為60 cm.試驗得到的結(jié)果分別如圖3、圖4所示.圖3為光纜的拉伸應(yīng)變(拉伸率)與拉力的關(guān)系，圖4為各光纖在拉力作用下的附加衰減情況(受力刻度同圖3).由測試結(jié)果可見，此光纜在拉到2 000 N時還無明顯的附加衰減(＜0.03 dB即認為無明顯衰減)，在拉力達到2 000 N時拉伸率尚小于2‰，此時纜中的光纖根本沒有應(yīng)變，完全符合設(shè)計的目標.還做了其它機械性能試驗如扭曲、沖擊、壓扁、彎折等試驗，結(jié)果完全符合標準要求，限于篇幅，這里就不一一列出了.

表1 光纜受力與允許的光纖最大應(yīng)變和附加衰減

圖3 GYTA 144B1光纜的拉伸-應(yīng)變曲線

圖4 GYTA 144B1光纜拉伸時的輸出光功率衰減-拉力曲線

4 結(jié) 論

理解通信光纜的設(shè)計目標和設(shè)計原理是生產(chǎn)合格光纜的前提，只有合理設(shè)計光纜的結(jié)構(gòu)、參數(shù)，在制造過程中的各個環(huán)節(jié)嚴格加以保證，建立并實施完善的質(zhì)量保證體系，才能生產(chǎn)出符合國家通信行業(yè)標準YD／T 901-2003的通信光纜，保證通信網(wǎng)的可靠運行.

[1] 胡先志.光纖與光纜技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)此版社，2007.

[2] 陳炳炎.光纖光纜的設(shè)計和制造[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2003.

[3] YD／T 901-2001 層絞式通信用室外光纜[S].北京：原信息產(chǎn)業(yè)部，2001.