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2010/04/29
作者：张国胜
一、光缆设计
1、设计原理
针对敷设环境的要求，光缆采用全介质中心束管结构，这样可以满足体积小、重量轻、与电力线缆并存的要求。非金属加强件采用芳纶纱作为加强材料。
ε：芳纶纱的最大应变；
Fmax ：光缆允许承受的最大张力；
S：芳纶纱线密度 ；
N：芳纶纱的数目；
E：芳纶纱的杨氏模量。
在800N的拉力下，芳纶纱的应变为：
考虑到PBT、PE材料对光缆拉伸弹性模量的贡献，缆的最大应变要小于芳纶纱的最大应变，根据实际拉伸试验数据，成品缆的拉伸应变为0.32%。
图1 GMFXY型光缆拉伸试验应变图
从上图中可以看出， 800N时光纤最大应变约为0.10%。显示出理论计算值是可靠的。
完全符合YD/T982－1998行业标准的要求。因此，采用芳纶纱带作为唯一加强件能够满足光缆性能指标的要求。
2、结构设计
考虑到光缆的成本，在满足光缆性能的前提下尽量减少非必要的材料使用。束管外采用芳纶纱作为抗拉元件，芳纶纱直接绕包在束管上，芳纶外直接挤护套。
光缆结构见下图：
图2 光缆设计结构图
光缆结构见下表：
二、光缆制造
1、芳纶纱选型和配布：
芳纶纱选型：本设计方案的光缆中心管直径2.8mm，宜采用低线密度的芳纶纱以使包覆芳纶后缆芯圆整。
芳纶纱配布：本设计中共10根dtex3160芳纶纱，考虑到光缆中心元件是束管，表面光滑，并且放线张力小（束管放线张力约5N左右，芳纶纱张力7~9N）。为避免芳纶包覆后束管偏向一侧，故应采用合理的芳纶包覆方式以确保芳纶纱均匀分布在束管周围。
2、光缆整体结构紧凑：
护套采用PE护套料，挤塑模具采用半挤压式并在护套时抽真空使芳纶纱与束管和护套层之间的结合力增大，光缆在受到拉伸时整体受力使光纤得到充分的保护。
3、束管防收缩工艺试作：
正品下机做环境性能试验发现个别光纤在低温-40度时附加衰减偏高，达不到应急光缆的要求。故对束管工艺进行检讨并试机确认PBT松套管的最小回缩的工艺条件。束管生产方案如下：
三、光缆试验
1、 环境性能试验
光缆环境性能试验旨在验证光缆在自然环境中遭受温度变化后，光缆的衰减特性的稳定性。光缆因温度改变而发生的衰减变化，是由于光线材料的线膨胀系数与光缆的加强构架和其它构件的线膨胀系数的差异造成缆中光纤弯曲或绷紧，导致光纤因受力产生附加衰减。目的是评价光缆在自然环境中敷设使用过程中耐受环境温度变化的能力。
验收要求：在-40℃~60℃环境温度条件下光缆中光纤附加衰减不大于0.2dB/km。
试验结果满足要求。试验记录图如下：
（1）拉伸（STRAIN）
拉伸负载：800N
验收要求：允许拉力下光纤附加衰减不大于0.1db，光纤应变约为0.1%左右，不大于0.3%。
试验结果满足要求。试验记录图如下：
图3 光缆拉伸试验图
（2）压扁（CRUSH）
负载：1500N/100mm
验收要求：允许压扁力下光纤附加衰减不大于0.1db，压力去除后光纤无明显残余附加衰减；光缆无目力可见开裂。
试验结果：满足要求。试验记录图如下：
冲锤重量：5N，冲锤落高：0.5m，冲击次数：至少10次
验收要求：光纤应不断裂，护套无目力可见开裂
试验结果：满足要求。试验记录图如下：
图5 光缆拉伸试验图
四、结论
本文介绍了GMFXY应急光缆的设计计算方法，阐述了该光缆设计生产中的要点，通过生产出的产品的结构和性能对设计进行了验证，并给出了相关的实验和测试数据。通过试验证明该缆完全满足应急光缆行业标准（YD/T982-1998）要求。
我公司已经批量生产、销售该型号光缆。通过客户试验后反馈的信息，达到了该光缆应急通信使用的初衷。
光缆实物图如下：
图6 光缆实物图
1、设计原理
针对敷设环境的要求，光缆采用全介质中心束管结构，这样可以满足体积小、重量轻、与电力线缆并存的要求。非金属加强件采用芳纶纱作为加强材料。
表1 芳纶纱的性能指标
| 杨氏模量 | GPa | ≥70 |
| 断裂伸长率 | ％ | ≥2.0 |
| 热膨胀系数 | 1/℃ | ≤－1.5×10—6 |
芳纶纱的拉伸弹性模量为70Gpa，约为钢丝拉伸弹性模量（190Gpa）的30%，这样的拉伸弹性模量能否满足在800N的短期拉力条件下光纤应变不超过0.1%的标准要求，是该光缆能否满足标准的关键条件。本例中GMFXY型光缆采用Dtex3160芳纶纱10根做抗张元件，光缆内光纤余长预计控制在0.20~0.30%。
Fmax ：光缆允许承受的最大张力；
S：芳纶纱线密度 ；
N：芳纶纱的数目；
E：芳纶纱的杨氏模量。
在800N的拉力下，芳纶纱的应变为：
图1 GMFXY型光缆拉伸试验应变图
完全符合YD/T982－1998行业标准的要求。因此，采用芳纶纱带作为唯一加强件能够满足光缆性能指标的要求。
2、结构设计
考虑到光缆的成本，在满足光缆性能的前提下尽量减少非必要的材料使用。束管外采用芳纶纱作为抗拉元件，芳纶纱直接绕包在束管上，芳纶外直接挤护套。
光缆结构见下图：
图2 光缆设计结构图
表2 设计光缆结构参数
| 部件 | 芳纶纱（mm） | 芳纶根数 | 松套管（mm） | 套管壁厚（mm） | 护套壁厚（mm） | 光缆外径（mm） | 光缆重量（Kg） |
| 参数 | Dtex3160 | 10 | 2.8 | 0.35 | 0.8 | 5.0 | 23 |
1、芳纶纱选型和配布：
芳纶纱选型：本设计方案的光缆中心管直径2.8mm，宜采用低线密度的芳纶纱以使包覆芳纶后缆芯圆整。
芳纶纱配布：本设计中共10根dtex3160芳纶纱，考虑到光缆中心元件是束管，表面光滑，并且放线张力小（束管放线张力约5N左右，芳纶纱张力7~9N）。为避免芳纶包覆后束管偏向一侧，故应采用合理的芳纶包覆方式以确保芳纶纱均匀分布在束管周围。
2、光缆整体结构紧凑：
护套采用PE护套料，挤塑模具采用半挤压式并在护套时抽真空使芳纶纱与束管和护套层之间的结合力增大，光缆在受到拉伸时整体受力使光纤得到充分的保护。
3、束管防收缩工艺试作：
正品下机做环境性能试验发现个别光纤在低温-40度时附加衰减偏高，达不到应急光缆的要求。故对束管工艺进行检讨并试机确认PBT松套管的最小回缩的工艺条件。束管生产方案如下：
表3 二次套塑工艺参数确定
| 序号 | 水温（℃） | 放纤张力（g） | 生产线速（m/min） | 收线张力（N） | 牵引轮上圈数 | 束管余长（‰） | 热烘收缩（‰）（200℃，3min） | 备注 | |||
| Z1 | Z2 | Z3 | Z4 | ||||||||
| 1 | 80 | 80 | 40 | 20 | 60 | 100 | 8 | 4 | 1.6 | 0.74 | |
| 2 | 80 | 60 | 40 | 20 | 80 | 80 | 6 | 7 | 0.4 | 0.6 | 正品批量方案 |
| 3 | 70 | 70 | 40 | 20 | 70 | 80 | 8 | 7 | 1.2~1.4 | 0.82 | |
| 4 | 60 | 60 | 25 | 20 | 70 | 80 | 2 | 7 | 0.6 | 0.56 | |
| 5 | 50 | 50 | 25 | 20 | 60 | 100 | 6 | 4 | 0.4~0.8 | 0.62 | |
试做的5个方案中取束管余长和热烘收缩两项和最小的方案为正式生产束管的方案。
三、光缆试验
1、 环境性能试验
光缆环境性能试验旨在验证光缆在自然环境中遭受温度变化后，光缆的衰减特性的稳定性。光缆因温度改变而发生的衰减变化，是由于光线材料的线膨胀系数与光缆的加强构架和其它构件的线膨胀系数的差异造成缆中光纤弯曲或绷紧，导致光纤因受力产生附加衰减。目的是评价光缆在自然环境中敷设使用过程中耐受环境温度变化的能力。
验收要求：在-40℃~60℃环境温度条件下光缆中光纤附加衰减不大于0.2dB/km。
试验结果满足要求。试验记录图如下：
表4 高低温试验数据
| 序号 | 色标 | 25℃ | 60℃ | -40℃ | |||
| 1310nm损耗（dB/km） | 1550nm损耗（dB/km） | 1310nm损耗（dB/km） | 1550nm损耗（dB/km） | 1310nm损耗（dB/km） | 1550nm损耗（dB/km） | ||
| 1 | 蓝 | 0.326 | 0.195 | 0.323 | 0.189 | 0.402 | 0.308 |
| 2 | 橙 | 0.330 | 0.194 | 0.320 | 0.185 | 0.401 | 0.306 |
| 3 | 绿 | 0.325 | 0.189 | 0.322 | 0.188 | 0.399 | 0.307 |
| 4 | 棕 | 0.326 | 0.188 | 0.322 | 0.188 | 0.399 | 0.310 |
| 5 | 灰 | 0.328 | 0.196 | 0.325 | 0.193 | 0.403 | 0.318 |
| 6 | 白 | 0.329 | 0.189 | 0.324 | 0.188 | 0.403 | 0.309 |
| 7 | 红 | 0.321 | 0.187 | 0.322 | 0.188 | 0.404 | 0.306 |
| 8 | 黑 | 0.324 | 0.186 | 0.321 | 0.188 | 0.400 | 0.307 |
| 9 | 黄 | 0.310 | 0.178 | 0.323 | 0.188 | 0.404 | 0.308 |
| 10 | 紫 | 0.326 | 0.195 | 0.322 | 0.189 | 0.404 | 0.308 |
| 11 | 粉红 | 0.330 | 0.194 | 0.322 | 0.188 | 0.401 | 0.310 |
| 12 | 青绿 | 0.325 | 0.185 | 0.324 | 0.190 | 0.404 | 0.310 |
2、光缆机械性能试验：
光缆机械性能试验中拉伸、压扁、冲击三个项目可以很好的模拟评价光缆敷设、应用过程中的机械损害。（1）拉伸（STRAIN）
拉伸负载：800N
验收要求：允许拉力下光纤附加衰减不大于0.1db，光纤应变约为0.1%左右，不大于0.3%。
试验结果满足要求。试验记录图如下：
图3 光缆拉伸试验图
负载：1500N/100mm
验收要求：允许压扁力下光纤附加衰减不大于0.1db，压力去除后光纤无明显残余附加衰减；光缆无目力可见开裂。
试验结果：满足要求。试验记录图如下：
图4 光缆压扁试验图
（3）冲击（IMPACT）冲锤重量：5N，冲锤落高：0.5m，冲击次数：至少10次
验收要求：光纤应不断裂，护套无目力可见开裂
试验结果：满足要求。试验记录图如下：
图5 光缆拉伸试验图
四、结论
本文介绍了GMFXY应急光缆的设计计算方法，阐述了该光缆设计生产中的要点，通过生产出的产品的结构和性能对设计进行了验证，并给出了相关的实验和测试数据。通过试验证明该缆完全满足应急光缆行业标准（YD/T982-1998）要求。
我公司已经批量生产、销售该型号光缆。通过客户试验后反馈的信息，达到了该光缆应急通信使用的初衷。
光缆实物图如下：
图6 光缆实物图