eng
Выпуск #7/2018
Ю.Ларин, П.Иванов, М.Иванов, Ю.Смирнов
Оптические кабели с броней из круглых проволок
Оптические кабели с броней из круглых проволок
Просмотры: 2512
Представлены результаты разработки малогабаритных оптических кабелей с броней из круглых стальных проволок. Их конструкция и технология изготовления обеспечивают высокие механические параметры – допустимую рабочую нагрузку при удлинении, поперечную прочность и хорошую гибкость.
УДК 681.7.068:679.7, DOI: 10.22184/2070-8963.2018.76.7.36.40
УДК 681.7.068:679.7, DOI: 10.22184/2070-8963.2018.76.7.36.40
Теги: armored cables fiber optic cables fiber optic cables with a central polymer module round wire armor бронированные кабели броня из круглых проволок оптические кабели оптические кабели с центральным полимерным модулем
Конструкции оптических кабелей (ОК) с броней из круглых проволок практически всегда ассоциируются с достаточно габаритными и массивными изделиями, предназначенными для подземной прокладки (в том числе в канализации, в трубах, в блоках, коллекторах, в грунтах всех категорий, в воде при пересечении болот, озер и рек с максимальной глубиной не более 10 м). По классификации ГОСТ Р 52266 (область применения) они относятся к типу "З". Эти ОК применяются для эксплуатации в экстремальных условиях и могут содержать, как правило, один или два повива стальной проволоки.
Обмотка стальными проволоками используется и в некоторых конструкциях полевых (тип "П"), монтажных (тип "М") и бортовых (тип "Б") ОК.
В этих конструкциях потребителю предлагают версии, в которых проволока диаметром 0,2–0,8 мм присутствует в виде обмотки или оплетки. Ее основная функция – защита от грызунов [1] или воздействия монтажного инструмента. Во всех этих случаях броня защищает кабель от растягивающих усилий, а также от усилий сдвига (среза), но недостаточно эффективно противостоит при воздействии раздавливающих нагрузок (за исключением кабелей типа "З").
Повышение стойкости ОК к раздавливанию возможно за счет увеличения диаметра стальных проволок и/или уменьшения шага обмотки. И то, и другое приводит к увеличению массы кабеля и его габаритных размеров. Кроме того, скорость технологической операции бронирования круглой проволокой невелика, что существенно снижает производительность. Скорость оплеточных машин также крайне низка. Не надо забывать и то, что бронирование ОК требует применения сложных, дорогих и энергоемких машин.
Исходя из предыдущих рассуждений была сформулирована задача по созданию бронированного ОК, в наибольшей степени удовлетворяющего следующим требованиям:
• максимально возможная механическая прочность при минимальном (менее 0,5 %) относительном удлинении;
• минимальные масса и габариты;
• высокая технологичность;
• минимальная стоимость.
При этом оптический кабель должен удовлетворять таким принципам построения унифицированных волоконно-оптических сетей связи, как миниатюризация, интеграция, универсализация, многофункциональность, технологичность.
Как было отмечено ранее, вклад проволочной брони в обеспечение прочности ОК при воздействии растягивающих усилий достаточно велик и может быть определяющим. Некоторую роль может играть и центральный элемент. В итоге их наличие приводит к уменьшению гибкости конструкции ОК. И если это не особенно критично для магистральных кабелей типа "З", то для других областей применения ОК, например, таких как полевая связь, химическая, горнодобывающая промышленность и др., может создавать определенные сложности.
Решение задачи увеличения гибкости может быть обеспечено за счет отказа от центрального силового элемента, в том числе и в многомодульных конструкциях ОК. В этом случае броневое покрытие удерживает ОК от растягивающих нагрузок и выполняет роль противоусадочного элемента – удерживает полимерные модули, расположенные внутри броневого покрытия, при их температурных усадках. В результате обеспечивается снижение массы и габаритов ОК.
В свое время проводились работы по увеличению гибкости и увеличению поперечной устойчивости ОК путем навивки на оптический сердечник ОК проволоки с минимальным шагом [3]. Для этого была разработана специальная установка, но полученные конструкции кабелей не были востребованы.
Заменить стальную проволочную броню в ОК пытались с помощью металлических трубок, что значительно повышало стойкость к раздавливающим нагрузкам и, в какой-то степени, увеличивало производительность. Металлические оболочки также играли роль защитного барьера против проникновения влаги в радиальном направлении. Работы в этом направлении велись достаточно долго [4]. Для изготовления металлических "трубок-модулей" применяли медь, алюминий, сталь. В 1990-х годах в результате совместных работ с Минсредмашем РФ были изготовлены образцы трубок из нержавеющей стали.
К конструкциям ОК с металлическими "трубками-модулями" вернулись уже спустя 20 лет, но их функция, скорее, связана с защитой оптического волокна (ОВ) от воздействия влаги, агрессивных сред и повышения нагревостойкости (огнестойкости). Обеспечить высокую гибкость, сравнимую с гибкостью ОВ, они не могут. Кабели с металлическими трубками нашли свое применение в целом ряде ответственных изделий, но не решают поставленной задачи.
На сегодняшний день ясно, что для создания гибких бронированных кабелей, сравнимых по гибкости с небронированными вариантами, необходимо использовать стальные проволоки. Задача заключается в создании конструкции брони, обеспечивающей это требование, и повышения скорости бронирования до средней скорости наложения внешнего шланга.
Сформулировав задачу, можно найти приемлемое решение, которое заключается в изменении технологической схемы изготовления кабеля – замене последовательной схемы на параллельную.
При последовательной схеме броня формируется на поверхности бронируемого элемента (сердечника – кабельная скрутка, внутренняя оболочка и пр.). При этом операция бронирования определяет скорость изготовления кабеля.
Суть параллельной схемы заключается в выделении наиболее трудоемкой операции в отдельную с последующим включением полученного полуфабриката в общую технологическую линейку. В этом случае, создавая определенный запас полуфабриката, можно регулировать скорость общего технологического процесса изготовления ОК.
Нами предложена схема создания брони как самостоятельного действия. Последующая технологическая операция связана с введением внутрь сформированной брони скрутки из кабельных элементов, гидрофобного или иного заполнения [5]. В результате была реализована высокоскоростная схема изготовления ОК при формировании броневого повива, устойчивого к раздавливающим (поперечным) нагрузкам. В данной статье из-за ограничения объема не приводятся математические выкладки, основанные на уравнении Кирхгофа. Отметим, что при расчетах радиальная нагрузка перпендикулярна к оси спирали броневого повива, и, используя систему линейных уравнений, можно определить критические значения нагрузки на виток спирали, при которых наблюдается потеря ее устойчивости. Эта критическая нагрузка зависит от угла свивки спирали, а также формы и размеров сечения витков и характеристик материала. В результате расчетов был определен оптимальный угол навивки спирали, который для круглой проволоки равен 57°.
На основе результатов проведенных исследований были разработаны три базовые конструкции ОК, которые во многом удовлетворяют сформулированным выше четырем требованиям и пяти принципам.
В конструкции ОКМБ-03 (рис.1а) ОВ располагаются свободно непосредственно внутри бронированной трубки из стальных канатных проволок.
Во второй конструкции – ОКМБ-02 (рис.1б) – оптические волокна располагаются свободно непосредственно внутри бронированной трубки из прядей стальных проволок.
Характерная особенность кабелей семейства ОКМБ – использование броневого покрытия из готовых канатов ГОСТ 3062 (канаты из стальных оцинкованных одиночных проволок) и ГОСТ 3069 или ГОСТ 3066 (канаты, выполненные из семи прядей из тонких стальных проволок).
В процессе технологической переработки используется готовый семипроволочный или семипрядевый канат по одному из указанных ГОСТ, например канат диаметром 2,4 мм. Этот исходный канат длиной до 8 км устанавливают в качестве отдающего на отдатчик производственной линии, далее перевивают шесть проволок наружного слоя этого каната и формируют броню непосредственно поверх четырех ОВ (волокна оказываются внутри каната). В результате получают стальную гибкую "трубку – металлический модуль" с отверстием, внутри которой расположены волокна, а свободное пространство заполняют гидрофобным компаундом.
Описанный технологический процесс осуществляется за один этап со средней скоростью от 5 до 25 м/мин в зависимости от диаметра модуля (или ОК).
В качестве материала шланга применяется полиэтилен, стойкий к УФ-излучению или полимер, не поддерживающий горение и не выделяющий галогеносодержащих ядовитых веществ. ОК не содержат трубчатых полимерных оптических модулей, что повышает огнестойкость.
Вторая из упомянутых конструкций – ОКМБ-2 –
особо гибкая.
Отсутствие полимерного модуля и прочная броня ОК позволяют минимизировать габариты и массу ОК, и при этом обеспечиваются высокие механические параметры – допустимая рабочая нагрузка при удлинении, поперечная прочность и хорошая гибкость.
Основные характеристики этих кабелей:
• диаметр по броневому покрытию – от 1,0 до 4,0 мм;
• количество волокон – до 16 шт.;
• максимальная допустимая растягивающая нагрузка (МДРН) – до 9 кН;
• допустимое поперечное давление – не менее 5 кН/10 см;
• диапазон рабочих температур – от –60(–50) до +70 оС;
• наружный диаметр – до 7,0 мм.
Обычная толщина полимерной оболочки составляет до 0,8 мм (повышенная толщина – до 1,5 мм).
Такие кабели, как правило, весьма сложно повредить при прокладке и эксплуатации, и поэтому они могут применяться в различных условиях – в канализации связи, для прокладки в землю, в асфальт, для подвеса на опорах связи, прокладки внутри зданий и помещений и др. Таким образом данные ОК имеют универсальное применение.
Основные конструктивные параметры кабелей ОКМБ приведены в табл.1.
В третьей базовой конструкции оптического кабеля – ОКПБ (рис.2) – ОВ располагаются внутри полимерной трубки. Броня из 12 или 18 стальных проволок скручена поверх трубки.
Отличие конструкции заключается в том, что броневой слой изготовлен не методом повива, а с использованием ранее рассмотренной технологии. Так же как и в кабелях ОКМБ, броневой повив делается не из отдельных проволок, а перевивается непосредственно с готовых канатов, выпускаемых по ГОСТ 3063 и ГОСТ 3064, и имеет либо 12, либо 18 проволочный повив из преформированных стальных проволок диаметром от 0,6 до 1,0 мм. Диаметр кабеля по первому броневому покрытию от 3,0 до 5,0 мм с допустимой растягивающей нагрузкой до 10 кН.
Для увеличения допустимой растягивающей нагрузки (МДРН) по требованию заказчика могут быть изготовлены кабели с дополнительным вторым броневым слоем марки ОКП2Б.
Кабели ОКПБ и ОКП2Б отличаются от подобных конструкций ОК высокими механическими характеристиками по растягивающему и поперечному усилиям, гибкостью, стойкостью к кручению и перегибам, высоким качеством и относительно небольшими массогабаритными характеристиками.
Основные характеристики этих кабелей:
• диаметр по первому броневому покрытию – от 3,0 до 5,2 мм;
• используемые волокна – многомодовые и одномодовые с лаковым покрытием по спецификациям МСЭ-Т G.651, G.652, G.657;
• количество оптических волокон – от 1 до 32 шт.;
• допустимая растягивающая нагрузка (МДРН):
• от 2,5 до 10 кН – для однослойной брони;
• от 12 до 20,0 кН – для двуслойной брони;
• допустимое поперечное раздавливающее усилие – от 3 до 10 кН/10 см для однослойной брони;
• диапазон рабочих температур – от –60(–50) до +70 оС;
• наружный диаметр – от 3,0 до 9,0 мм (для ОК с однослойной броней).
Кабели ОКПБ с однослойной броней могут использоваться в городских и зоновых сетях связи. ОКП2Б – кабели с двуслойной броней – могут применяться при ответственной прокладке, в том числе в сложных грунтах.
Разработанные конструкции создают базу для значительного сокращения номенклатуры кабельных изделий и позволяют решать поставленные задачи комплексно и с малыми затратами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ларин Ю.Т. Испытания оптического кабеля на стойкость к воздействию грызунов // Фотон-Экспресс. 2008. №3(67). С. 10–16.
2. Суровежин П. Российские волоконно-оптические изделия для специальных целей // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2018. № 5(74). С. 74–75.
3. Носаль С.С. Повышение механической прочности и долговечности кабельных изделий [Учеб. пособие для спец. "Электроизоляц. и кабел. техника"]. – Киев: УМКВО, 1990. 55 c.
4. Иванов П.Б., Куприянов Н.С., Ларин Ю.Т., Потапов С.Н., Смирнов Ю.В. Герметизированные оптические кабели // Фотон-Экспресс. 2017. № 5. С. 8–11.
5. Способ и устройство изготовления металлического оптического модуля и устройство для его реализации / Смирнов Ю.В., Смирнов С.Ю., Малай В.А., Малай А.В., Зайцев А.С. Патент РФ № 2371794. Оп. 27.10.2009.
Обмотка стальными проволоками используется и в некоторых конструкциях полевых (тип "П"), монтажных (тип "М") и бортовых (тип "Б") ОК.
В этих конструкциях потребителю предлагают версии, в которых проволока диаметром 0,2–0,8 мм присутствует в виде обмотки или оплетки. Ее основная функция – защита от грызунов [1] или воздействия монтажного инструмента. Во всех этих случаях броня защищает кабель от растягивающих усилий, а также от усилий сдвига (среза), но недостаточно эффективно противостоит при воздействии раздавливающих нагрузок (за исключением кабелей типа "З").
Повышение стойкости ОК к раздавливанию возможно за счет увеличения диаметра стальных проволок и/или уменьшения шага обмотки. И то, и другое приводит к увеличению массы кабеля и его габаритных размеров. Кроме того, скорость технологической операции бронирования круглой проволокой невелика, что существенно снижает производительность. Скорость оплеточных машин также крайне низка. Не надо забывать и то, что бронирование ОК требует применения сложных, дорогих и энергоемких машин.
Исходя из предыдущих рассуждений была сформулирована задача по созданию бронированного ОК, в наибольшей степени удовлетворяющего следующим требованиям:
• максимально возможная механическая прочность при минимальном (менее 0,5 %) относительном удлинении;
• минимальные масса и габариты;
• высокая технологичность;
• минимальная стоимость.
При этом оптический кабель должен удовлетворять таким принципам построения унифицированных волоконно-оптических сетей связи, как миниатюризация, интеграция, универсализация, многофункциональность, технологичность.
Как было отмечено ранее, вклад проволочной брони в обеспечение прочности ОК при воздействии растягивающих усилий достаточно велик и может быть определяющим. Некоторую роль может играть и центральный элемент. В итоге их наличие приводит к уменьшению гибкости конструкции ОК. И если это не особенно критично для магистральных кабелей типа "З", то для других областей применения ОК, например, таких как полевая связь, химическая, горнодобывающая промышленность и др., может создавать определенные сложности.
Решение задачи увеличения гибкости может быть обеспечено за счет отказа от центрального силового элемента, в том числе и в многомодульных конструкциях ОК. В этом случае броневое покрытие удерживает ОК от растягивающих нагрузок и выполняет роль противоусадочного элемента – удерживает полимерные модули, расположенные внутри броневого покрытия, при их температурных усадках. В результате обеспечивается снижение массы и габаритов ОК.
В свое время проводились работы по увеличению гибкости и увеличению поперечной устойчивости ОК путем навивки на оптический сердечник ОК проволоки с минимальным шагом [3]. Для этого была разработана специальная установка, но полученные конструкции кабелей не были востребованы.
Заменить стальную проволочную броню в ОК пытались с помощью металлических трубок, что значительно повышало стойкость к раздавливающим нагрузкам и, в какой-то степени, увеличивало производительность. Металлические оболочки также играли роль защитного барьера против проникновения влаги в радиальном направлении. Работы в этом направлении велись достаточно долго [4]. Для изготовления металлических "трубок-модулей" применяли медь, алюминий, сталь. В 1990-х годах в результате совместных работ с Минсредмашем РФ были изготовлены образцы трубок из нержавеющей стали.
К конструкциям ОК с металлическими "трубками-модулями" вернулись уже спустя 20 лет, но их функция, скорее, связана с защитой оптического волокна (ОВ) от воздействия влаги, агрессивных сред и повышения нагревостойкости (огнестойкости). Обеспечить высокую гибкость, сравнимую с гибкостью ОВ, они не могут. Кабели с металлическими трубками нашли свое применение в целом ряде ответственных изделий, но не решают поставленной задачи.
На сегодняшний день ясно, что для создания гибких бронированных кабелей, сравнимых по гибкости с небронированными вариантами, необходимо использовать стальные проволоки. Задача заключается в создании конструкции брони, обеспечивающей это требование, и повышения скорости бронирования до средней скорости наложения внешнего шланга.
Сформулировав задачу, можно найти приемлемое решение, которое заключается в изменении технологической схемы изготовления кабеля – замене последовательной схемы на параллельную.
При последовательной схеме броня формируется на поверхности бронируемого элемента (сердечника – кабельная скрутка, внутренняя оболочка и пр.). При этом операция бронирования определяет скорость изготовления кабеля.
Суть параллельной схемы заключается в выделении наиболее трудоемкой операции в отдельную с последующим включением полученного полуфабриката в общую технологическую линейку. В этом случае, создавая определенный запас полуфабриката, можно регулировать скорость общего технологического процесса изготовления ОК.
Нами предложена схема создания брони как самостоятельного действия. Последующая технологическая операция связана с введением внутрь сформированной брони скрутки из кабельных элементов, гидрофобного или иного заполнения [5]. В результате была реализована высокоскоростная схема изготовления ОК при формировании броневого повива, устойчивого к раздавливающим (поперечным) нагрузкам. В данной статье из-за ограничения объема не приводятся математические выкладки, основанные на уравнении Кирхгофа. Отметим, что при расчетах радиальная нагрузка перпендикулярна к оси спирали броневого повива, и, используя систему линейных уравнений, можно определить критические значения нагрузки на виток спирали, при которых наблюдается потеря ее устойчивости. Эта критическая нагрузка зависит от угла свивки спирали, а также формы и размеров сечения витков и характеристик материала. В результате расчетов был определен оптимальный угол навивки спирали, который для круглой проволоки равен 57°.
На основе результатов проведенных исследований были разработаны три базовые конструкции ОК, которые во многом удовлетворяют сформулированным выше четырем требованиям и пяти принципам.
В конструкции ОКМБ-03 (рис.1а) ОВ располагаются свободно непосредственно внутри бронированной трубки из стальных канатных проволок.
Во второй конструкции – ОКМБ-02 (рис.1б) – оптические волокна располагаются свободно непосредственно внутри бронированной трубки из прядей стальных проволок.
Характерная особенность кабелей семейства ОКМБ – использование броневого покрытия из готовых канатов ГОСТ 3062 (канаты из стальных оцинкованных одиночных проволок) и ГОСТ 3069 или ГОСТ 3066 (канаты, выполненные из семи прядей из тонких стальных проволок).
В процессе технологической переработки используется готовый семипроволочный или семипрядевый канат по одному из указанных ГОСТ, например канат диаметром 2,4 мм. Этот исходный канат длиной до 8 км устанавливают в качестве отдающего на отдатчик производственной линии, далее перевивают шесть проволок наружного слоя этого каната и формируют броню непосредственно поверх четырех ОВ (волокна оказываются внутри каната). В результате получают стальную гибкую "трубку – металлический модуль" с отверстием, внутри которой расположены волокна, а свободное пространство заполняют гидрофобным компаундом.
Описанный технологический процесс осуществляется за один этап со средней скоростью от 5 до 25 м/мин в зависимости от диаметра модуля (или ОК).
В качестве материала шланга применяется полиэтилен, стойкий к УФ-излучению или полимер, не поддерживающий горение и не выделяющий галогеносодержащих ядовитых веществ. ОК не содержат трубчатых полимерных оптических модулей, что повышает огнестойкость.
Вторая из упомянутых конструкций – ОКМБ-2 –
особо гибкая.
Отсутствие полимерного модуля и прочная броня ОК позволяют минимизировать габариты и массу ОК, и при этом обеспечиваются высокие механические параметры – допустимая рабочая нагрузка при удлинении, поперечная прочность и хорошая гибкость.
Основные характеристики этих кабелей:
• диаметр по броневому покрытию – от 1,0 до 4,0 мм;
• количество волокон – до 16 шт.;
• максимальная допустимая растягивающая нагрузка (МДРН) – до 9 кН;
• допустимое поперечное давление – не менее 5 кН/10 см;
• диапазон рабочих температур – от –60(–50) до +70 оС;
• наружный диаметр – до 7,0 мм.
Обычная толщина полимерной оболочки составляет до 0,8 мм (повышенная толщина – до 1,5 мм).
Такие кабели, как правило, весьма сложно повредить при прокладке и эксплуатации, и поэтому они могут применяться в различных условиях – в канализации связи, для прокладки в землю, в асфальт, для подвеса на опорах связи, прокладки внутри зданий и помещений и др. Таким образом данные ОК имеют универсальное применение.
Основные конструктивные параметры кабелей ОКМБ приведены в табл.1.
В третьей базовой конструкции оптического кабеля – ОКПБ (рис.2) – ОВ располагаются внутри полимерной трубки. Броня из 12 или 18 стальных проволок скручена поверх трубки.
Отличие конструкции заключается в том, что броневой слой изготовлен не методом повива, а с использованием ранее рассмотренной технологии. Так же как и в кабелях ОКМБ, броневой повив делается не из отдельных проволок, а перевивается непосредственно с готовых канатов, выпускаемых по ГОСТ 3063 и ГОСТ 3064, и имеет либо 12, либо 18 проволочный повив из преформированных стальных проволок диаметром от 0,6 до 1,0 мм. Диаметр кабеля по первому броневому покрытию от 3,0 до 5,0 мм с допустимой растягивающей нагрузкой до 10 кН.
Для увеличения допустимой растягивающей нагрузки (МДРН) по требованию заказчика могут быть изготовлены кабели с дополнительным вторым броневым слоем марки ОКП2Б.
Кабели ОКПБ и ОКП2Б отличаются от подобных конструкций ОК высокими механическими характеристиками по растягивающему и поперечному усилиям, гибкостью, стойкостью к кручению и перегибам, высоким качеством и относительно небольшими массогабаритными характеристиками.
Основные характеристики этих кабелей:
• диаметр по первому броневому покрытию – от 3,0 до 5,2 мм;
• используемые волокна – многомодовые и одномодовые с лаковым покрытием по спецификациям МСЭ-Т G.651, G.652, G.657;
• количество оптических волокон – от 1 до 32 шт.;
• допустимая растягивающая нагрузка (МДРН):
• от 2,5 до 10 кН – для однослойной брони;
• от 12 до 20,0 кН – для двуслойной брони;
• допустимое поперечное раздавливающее усилие – от 3 до 10 кН/10 см для однослойной брони;
• диапазон рабочих температур – от –60(–50) до +70 оС;
• наружный диаметр – от 3,0 до 9,0 мм (для ОК с однослойной броней).
Кабели ОКПБ с однослойной броней могут использоваться в городских и зоновых сетях связи. ОКП2Б – кабели с двуслойной броней – могут применяться при ответственной прокладке, в том числе в сложных грунтах.
Разработанные конструкции создают базу для значительного сокращения номенклатуры кабельных изделий и позволяют решать поставленные задачи комплексно и с малыми затратами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ларин Ю.Т. Испытания оптического кабеля на стойкость к воздействию грызунов // Фотон-Экспресс. 2008. №3(67). С. 10–16.
2. Суровежин П. Российские волоконно-оптические изделия для специальных целей // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2018. № 5(74). С. 74–75.
3. Носаль С.С. Повышение механической прочности и долговечности кабельных изделий [Учеб. пособие для спец. "Электроизоляц. и кабел. техника"]. – Киев: УМКВО, 1990. 55 c.
4. Иванов П.Б., Куприянов Н.С., Ларин Ю.Т., Потапов С.Н., Смирнов Ю.В. Герметизированные оптические кабели // Фотон-Экспресс. 2017. № 5. С. 8–11.
5. Способ и устройство изготовления металлического оптического модуля и устройство для его реализации / Смирнов Ю.В., Смирнов С.Ю., Малай В.А., Малай А.В., Зайцев А.С. Патент РФ № 2371794. Оп. 27.10.2009.
Отзывы читателей
