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2009/05/29
作者：任明当 冯雅娟 马春平
信息化的爆炸式发展，信息的业务种类日新月异。目前3G业务的发展成为世界最热门的话题，适逢我国运营商的重组完成，3G牌照的发放，在市场的推动下，使得3G业务得到竞相发展。面对国内外市场的蓬勃发展，法尔胜光通信的技术人员立足设计和制造产品质量高，结构成本低，适合市场需求，满足用户要求的更加理想的光缆产品，以支持用户，力图为我国的通信事业做出贡献，精心设计和制造的GYXTC8S光缆就是法尔胜光通信推出的一个新型产品。
一、GYXTC8S光缆的结构特征
GYXTC8S光缆一种八字型自承式结构，缆芯为单根束管，采用钢塑复合带平滑纵包技术。是根据国外特别流行和广泛使用的一种GYXTC8Y光缆结构进行结构分析，技术攻关，优化设计而生产的。
GYXTC8Y光缆结构简单，使用方便，但在结构上有其致命的缺陷，就是缆芯部分没有金属带护层，一方面削弱了光缆防鸟枪的能力，另一方面缆芯部分与吊线部分存在较大的热膨胀不平衡，限制了使用范围。法尔胜光通信有限公司，通过攻关研究，解决了平滑带的纵包技术，优化了光缆的结构，解决了光缆的结构缺陷，同时保留了光缆的所有优点，极大的提高了光缆产品性价比，深受用户喜爱。
光缆缆芯为单根束管，无扭绞，与光缆加强件平行布放，缆心与吊线呈8字型状态。由此结构特点知，光纤没有结构余长，光缆中光纤余长就等于光缆束管光中的光纤余长，相似于中心束管式光缆。光缆结构如图1所示，采用高强度镀锌钢丝做吊线，形成光缆的主要抗张元件；采用PBT充油松套管，全色谱光纤；采用钢塑复合带轻铠，聚乙烯护套，形成钢塑粘结综合护套；缆芯间填充阻水材料，实现全断面阻水。缆芯结构紧凑，重量轻，尺寸小，便于施工维护，制造成本低，有力于用户降低投资成本。
图1 GYXTC8S
二、GYXTC8S-12B1光缆的结构设计
1、设计依据
光缆设计任务要求光缆中最大可容纳12根光纤。
光缆技术指标符合光缆标准：YD/T1155-2001 通信用“8”字形自承式室外光缆；
用户测试要求规范：
光缆设计要点关注：光缆中光纤衰减，光缆抗张能力与光纤应变控制，温度循环性能，阻水性能等。按照光缆标准要求，抗拉强度为1500N的拉力时，光缆中光纤应变核心网要求小于0.10%（非核心网要求不超过1.5‰）。因此，光缆吊线选用1.6mm高强度镀锌钢丝；光缆中光纤余长要求中心值为1.6‰。缆心束管采用Φ2.5/1.7mmPBT束管，确保放置十二根光纤时，光纤有足够的自由度；采用0.25×12.5mm钢带平滑纵包，达到轻铠功能，并提高了抗张力，同时也解决了缆芯部分和吊线部分的线胀系数的平衡问题；同时采用平滑纵包技术，以其减小外径；钢带与缆芯束管中间为阻水材料，起到了完全阻水作用，并在束管和钢带之间提供足够的摩擦作用；光缆的标称尺寸为Φ4.0/6.8mm。
光缆的结构尺寸初步设计确定，我们就可以提供光缆中个元件的结构面积及相关参数如下：
=
=40.68
1.2×10-4 700
=0.15×12.5=1.88 1.3×10-5 100000
=
=2.01 1.3×10-5 190000
=
=2.64 13.1×10-5 2500
3、设计核算
结构尺寸确定之后，就需要对其进行设计核算，确保设计方案满足设计要求，并实现成本的控制。该光缆的设计主要考虑光缆的抗张性能、温度性能和余长的确定。核算如下：
（1）光缆温度性能的考虑
光缆的综合温度系数由式（1）计算：
（1）
式中：
—第i个元件的截面积
—第i个元件的杨氏模量
—第i个元件的热膨胀系数
将光缆中各元件的结构面积和相关参数代入式中得：
=（1.2×10-4×40.68×700+1.3×10-5×1.88×100000+1.3×10-5×2.01×190000+13.1×10-5×2.64×2500）/（40.68×700+1.88×100000+2.01×190000+2.64×2500）
=（34171.2+24440+49647+8646）×10-4/（28476+188000+381900+6600）
=116904.2/604976×10-4=1.9324×10-5
由于光缆存在综合温度系数，光缆由常温20度下降到零下40度，光缆因温度影响而收缩，光缆中的光纤余长增量由式（2）给出：
=
（2）
==1.9324×60×10-5=1.16×10-3 ，也即1.16‰ 。
（2）光缆抗张性能的考虑
光缆的综合抗张模量由式（3）给出：
=
（3）
代入光缆中各元件的结构面积和相关参数得：
=
=（40.68×700+1.88×100000+2.01×190000+2.64×2500）/（40.68+1.88+2.01+2.64）
=（28476+188000+381900+6600）/（40.68+1.88+2.01+2.64）
=604976/47.21
=12814.57
按照光缆的设计要求，光缆在受到1500牛顿的拉力时，光缆延伸会达到：
=
=2.48×10-3
（3）光缆中光纤余长设计
光缆中的余长是一个非常重要的参数，设计的主要目的，就是要解决光缆在拉伸下光纤的应变问题和低温下光纤因微弯引起损耗的问题，还要解决光缆的结构成本问题。
我们知道所选择的束管尺寸为外径2.5mm，内径1.7mm。当束管中光纤为12根时，光纤的等效直径为：
=1.16
=1.16
=1mm因光纤无扎纱，侧应力时并非为圆，乘0.8系数，=0.8mm。管中光纤的间隙c=1.7-0.8=0.9mm。
当光纤有余长时，光纤在束管中呈弯曲分布，如下图所示，光纤的曲率半径与余长的关系为：
图2 光纤在束管中正弦分布模拟图
设光纤在束管中按照正弦曲线状态分布，光纤的曲率半径为
光纤的余长和曲率半径的关系由式（4）决定：
（4）
中心管式的光缆，管中一次涂覆光纤允许曲率半径为37.5mm，按照12根光纤的等效外径为0.8mm，管中的间隙为0.9 mm，在光纤基本不增加损耗的情况下，束管中可允许容纳的光纤余长：
=
=3‰
按照光缆中允许的最大余长，考虑从常温到负四十度，光缆收缩1.18‰，因此，光缆常温下的初始余长不得大于3‰-1.18‰=1.82‰。为满足光缆在短期应力下，光纤应变小于1‰，考虑到在短期拉力下，光缆可能延伸2.48‰，光纤余长应不小于1.48‰。综合以上各方面的考虑，光纤余长的可许窗口为1.48‰～1.82‰。余长的最佳设计值为1.65‰。生产实践中，控制在1.6±0.3‰。
通过光缆的结构分析、设计和核算，我们确定了该光缆的设计方案。
三、检测验证
设计方案确定之后，我们通过完善生产工艺，结合用户合同，进行了产品试制，并对生产过程进行了跟踪，对产品进行了全面的性能检测和试验，检测结果如下表：
四、结论
通过以上分析、产品实现、产品全性能检测，说明产品开发是成功的。通过国内外用户的使用，满足了用户的使用要求。充分说明：我公司开发的GYXTC8S型光缆结构设计合理，工艺成熟；光缆性能优良，符合设计要求和产品标准，并满足用户的详细技术规范；光缆轻便，具有自承性能，施工维护方便；光缆性价比高，是用户极希望的产品。
一、GYXTC8S光缆的结构特征
GYXTC8S光缆一种八字型自承式结构，缆芯为单根束管，采用钢塑复合带平滑纵包技术。是根据国外特别流行和广泛使用的一种GYXTC8Y光缆结构进行结构分析，技术攻关，优化设计而生产的。
GYXTC8Y光缆结构简单，使用方便，但在结构上有其致命的缺陷，就是缆芯部分没有金属带护层，一方面削弱了光缆防鸟枪的能力，另一方面缆芯部分与吊线部分存在较大的热膨胀不平衡，限制了使用范围。法尔胜光通信有限公司，通过攻关研究，解决了平滑带的纵包技术，优化了光缆的结构，解决了光缆的结构缺陷，同时保留了光缆的所有优点，极大的提高了光缆产品性价比，深受用户喜爱。
光缆缆芯为单根束管，无扭绞，与光缆加强件平行布放，缆心与吊线呈8字型状态。由此结构特点知，光纤没有结构余长，光缆中光纤余长就等于光缆束管光中的光纤余长，相似于中心束管式光缆。光缆结构如图1所示，采用高强度镀锌钢丝做吊线，形成光缆的主要抗张元件；采用PBT充油松套管，全色谱光纤；采用钢塑复合带轻铠，聚乙烯护套，形成钢塑粘结综合护套；缆芯间填充阻水材料，实现全断面阻水。缆芯结构紧凑，重量轻，尺寸小，便于施工维护，制造成本低，有力于用户降低投资成本。
图1 GYXTC8S
二、GYXTC8S-12B1光缆的结构设计
1、设计依据
光缆设计任务要求光缆中最大可容纳12根光纤。
光缆技术指标符合光缆标准：YD/T1155-2001 通信用“8”字形自承式室外光缆；
用户测试要求规范：
| 序号 | 项目 | 测试要求 | 检测方法 | 接收准则 |
| 1 | 拉伸 | IEC-60794-1-E1 | -最大拉力：1500N -受试长度：50m -持续时间：1min |
-最大拉力下光纤应变：≤ 0.33% -附加衰减：≤0.05dB |
| 2 | 压扁 | IEC-60794-1-E3 | -力值：1000N -持续时间：1min -受试长度：100mm |
-护套表面无裂缝或开裂； -附加衰减：≤0.10dB |
| 3 | 冲击 | IEC-60794-1-E4 | -冲锤重量：450g - 高度：1m -冲击点数：至少1个 -冲击次数：5次 |
-护套表面无裂缝或开裂； -附加衰减：≤0.10dB |
| 4 | 反复弯曲 | IEC-60794-1-E6 | -弯曲半径：20倍光缆外径 -受试长度：1m -负载：250N -弯曲次数：30次 |
-护套表面无裂缝或开裂； -附加衰减：≤0.10dB |
| 5 | 扭转 | IEC-60794-1-E7 | -受试长度：1m -负载：150N -扭转角度：±180° -扭转次数：10次 |
-护套表面无裂缝或开裂； -附加衰减：≤0.10dB |
| 6 | 卷绕 | IEC-60794-1-E11 | -心轴半径：20倍光缆外径 -缠绕圈数：10圈 -循环次数：5次 |
-护套表面无裂缝或开裂； -光纤不断裂 |
| 7 | 温度循环 | IEC-60794-1-F1 | -温度台阶设置：+20℃→-40℃→+60℃→-40℃→+60℃ →+20℃ -每温度台阶持续时间：12h -循环次数：2次 |
-相对于常温(+20±3℃)下的附加衰减≤0.05dB |
| 8 | 渗水 | IEC-60794-1-F5 | -水柱高度：1m -试验长度：3m -持续时间：24h |
-光缆末端无水渗出 |
在设计验收时，抗张力要求1500N，但光纤应变我们执行要求较高的应变指标，小于1‰。温度性能采用-40～+60度。
2、设计思路光缆设计要点关注：光缆中光纤衰减，光缆抗张能力与光纤应变控制，温度循环性能，阻水性能等。按照光缆标准要求，抗拉强度为1500N的拉力时，光缆中光纤应变核心网要求小于0.10%（非核心网要求不超过1.5‰）。因此，光缆吊线选用1.6mm高强度镀锌钢丝；光缆中光纤余长要求中心值为1.6‰。缆心束管采用Φ2.5/1.7mmPBT束管，确保放置十二根光纤时，光纤有足够的自由度；采用0.25×12.5mm钢带平滑纵包，达到轻铠功能，并提高了抗张力，同时也解决了缆芯部分和吊线部分的线胀系数的平衡问题；同时采用平滑纵包技术，以其减小外径；钢带与缆芯束管中间为阻水材料，起到了完全阻水作用，并在束管和钢带之间提供足够的摩擦作用；光缆的标称尺寸为Φ4.0/6.8mm。
光缆的结构尺寸初步设计确定，我们就可以提供光缆中个元件的结构面积及相关参数如下：
==40.68 1.2×10-4 700=0.15×12.5=1.88 1.3×10-5 100000==2.01 1.3×10-5 190000==2.64 13.1×10-5 25003、设计核算
结构尺寸确定之后，就需要对其进行设计核算，确保设计方案满足设计要求，并实现成本的控制。该光缆的设计主要考虑光缆的抗张性能、温度性能和余长的确定。核算如下：
（1）光缆温度性能的考虑
光缆的综合温度系数由式（1）计算：
（1）式中：
—第i个元件的截面积—第i个元件的杨氏模量—第i个元件的热膨胀系数将光缆中各元件的结构面积和相关参数代入式中得：
=（1.2×10-4×40.68×700+1.3×10-5×1.88×100000+1.3×10-5×2.01×190000+13.1×10-5×2.64×2500）/（40.68×700+1.88×100000+2.01×190000+2.64×2500）
=（34171.2+24440+49647+8646）×10-4/（28476+188000+381900+6600）
=116904.2/604976×10-4=1.9324×10-5
由于光缆存在综合温度系数，光缆由常温20度下降到零下40度，光缆因温度影响而收缩，光缆中的光纤余长增量由式（2）给出：
= （2）==1.9324×60×10-5=1.16×10-3 ，也即1.16‰ 。（2）光缆抗张性能的考虑
光缆的综合抗张模量由式（3）给出：
= （3）代入光缆中各元件的结构面积和相关参数得：
==（40.68×700+1.88×100000+2.01×190000+2.64×2500）/（40.68+1.88+2.01+2.64）
=（28476+188000+381900+6600）/（40.68+1.88+2.01+2.64）
=604976/47.21
=12814.57
按照光缆的设计要求，光缆在受到1500牛顿的拉力时，光缆延伸会达到：
==2.48×10-3 （3）光缆中光纤余长设计
光缆中的余长是一个非常重要的参数，设计的主要目的，就是要解决光缆在拉伸下光纤的应变问题和低温下光纤因微弯引起损耗的问题，还要解决光缆的结构成本问题。
我们知道所选择的束管尺寸为外径2.5mm，内径1.7mm。当束管中光纤为12根时，光纤的等效直径为：
=1.16=1.16=1mm因光纤无扎纱，侧应力时并非为圆，乘0.8系数，=0.8mm。管中光纤的间隙c=1.7-0.8=0.9mm。当光纤有余长时，光纤在束管中呈弯曲分布，如下图所示，光纤的曲率半径与余长的关系为：
图2 光纤在束管中正弦分布模拟图
光纤的余长和曲率半径的关系由式（4）决定：
（4）中心管式的光缆，管中一次涂覆光纤允许曲率半径为37.5mm，按照12根光纤的等效外径为0.8mm，管中的间隙为0.9 mm，在光纤基本不增加损耗的情况下，束管中可允许容纳的光纤余长：
==3‰ 按照光缆中允许的最大余长，考虑从常温到负四十度，光缆收缩1.18‰，因此，光缆常温下的初始余长不得大于3‰-1.18‰=1.82‰。为满足光缆在短期应力下，光纤应变小于1‰，考虑到在短期拉力下，光缆可能延伸2.48‰，光纤余长应不小于1.48‰。综合以上各方面的考虑，光纤余长的可许窗口为1.48‰～1.82‰。余长的最佳设计值为1.65‰。生产实践中，控制在1.6±0.3‰。
通过光缆的结构分析、设计和核算，我们确定了该光缆的设计方案。
三、检测验证
设计方案确定之后，我们通过完善生产工艺，结合用户合同，进行了产品试制，并对生产过程进行了跟踪，对产品进行了全面的性能检测和试验，检测结果如下表：
表1 衰减系数及光缆结构
| 序号 | 检测项目 | 单位 | 技术要求 | 检测结果 | 判定 | ||
| 1 | 衰减系数 | dB/km | 1310nm≤0.36 1550nm≤0.22 |
纤别 | 1310nm | 1550nm | 合格 |
| 蓝 | 0.334 | 0.195 | 合格 | ||||
| 橙 | 0.329 | 0.190 | |||||
| 绿 | 0.325 | 0.190 | |||||
| 棕 | 0.332 | 0.193 | |||||
| 灰 | 0.330 | 0.202 | |||||
| 白 | 0.327 | 0.188 | |||||
| 红 | 0.325 | 0.192 | |||||
| 黑 | 0.329 | 0.196 | |||||
| 黄 | 0.327 | 0.196 | |||||
| 紫 | 0.326 | 0.188 | |||||
| 粉 | 0.325 | 0.192 | |||||
| 青 | 0.331 | 0.194 | |||||
| 2 | 护套平均厚度 | mm | 缆芯部分≥1.6 | 1.78 | 合格 | ||
| 吊线部分≥1.0 | 1.04 | ||||||
| 3 | 护套外径 | mm | - | 缆芯：7.12 吊线：3.72 |
合格 | ||
| 4 | 缆高 | mm | - | 12.6 | 合格 | ||
| 5 | 纵包金属带重叠宽度 缆芯直径≤9.5mm时 |
mm | 搭接的重迭宽度不小于缆芯周长的20% | 2.5 | 合格 | ||
表2 环境性能
| 序号 | 检测项目 | 单位 | 技术要求 | 检测结果 | 判定 | ||
| 1 | 衰减温度特性 | dB/km | -40℃～+60℃各保温12h， 2次循环 相对于常温时的最大附加衰减 │δ1310│≤0.05 │δ1550│≤0.05 |
纤别 | 1310nm | 1550nm | 合格 |
| 蓝 | 0.008 | 0.006 | |||||
| 橙 | 0.006 | 0.021 | |||||
| 绿 | 0.011 | 0.005 | |||||
| 棕 | 0.006 | 0.008 | |||||
| 灰 | 0.005 | 0.002 | |||||
| 白 | 0.011 | 0.012 | |||||
| 红 | 0.014 | 0.035 | |||||
| 黑 | 0.005 | 0.005 | |||||
| 黄 | 0.015 | 0.006 | |||||
| 紫 | 0.013 | 0.026 | |||||
| 粉 | 0.017 | 0.023 | |||||
| 青 | 0.014 | 0.026 | |||||
| 2 | 滴流70℃，24h | － | 应无滴落物 | 无滴落物 | 合格 | ||
| 3 | 渗水性能（1m，1h） | － | 缆端应无水渗出 | 无水渗出 | 合格 | ||
表3 机械性能
| 序号 | 检测项目 | 单位 | 技术要求 | 检测结果 | 判定 | |
| 1 | 拉伸 见图3 |
纤应变 | ％ | 短期拉力1500N，幅值≤0.33 | Max=0.075 | 合格 |
| 附加衰减 | dB | 短期拉力1500N，幅值≤0.05 | Max=0.028 | |||
| 外观 | － | 拉力去除后外护套无目力可见开裂 | 无目力可见开裂 | |||
| 2 | 压扁 | 附加衰减 | dB | 短期压扁力1000N下，幅值≤0.10 | Max=0.008 | 合格 |
| 外观 | － | 压扁后外护套无目力可见开裂 | 无目力可见开裂 | |||
| 3 | 冲击 | 附加衰减 | dB | 450g，1m，5个点，各5次， 幅值≤0.10 |
Max=0.007 | 合格 |
| 外观 | － | 冲击后外护套无目力可见开裂 | 无目力可见开裂 | |||
| 4 | 反复弯曲 | 附加衰减 | dB | 弯曲半径20D，循环30次， 挂重250N，幅值≤0.10 |
Max=0.018 | 合格 |
| 外观 | － | 弯曲后外护套无目力可见开裂 | 无目力可见开裂 | |||
| 5 | 扭转 | 附加衰减 | dB | 1m试样，角度±180°，挂重150N，循环10次，幅值≤0.10 | Max=0.004 | 合格 |
| 外观 | － | 扭转后外护套无目力可见开裂 | 无目力可见开裂 | |||
| 6 | 卷绕 | － | 护套表面无目力可见开裂 | 无目力可见开裂 | 合格 | |
| － | 光纤不断裂 | 不断裂 | ||||
图3 GYXTC8S拉伸试验图
四、结论
通过以上分析、产品实现、产品全性能检测，说明产品开发是成功的。通过国内外用户的使用，满足了用户的使用要求。充分说明：我公司开发的GYXTC8S型光缆结构设计合理，工艺成熟；光缆性能优良，符合设计要求和产品标准，并满足用户的详细技术规范；光缆轻便，具有自承性能，施工维护方便；光缆性价比高，是用户极希望的产品。
