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2012/07/30
作者：王曼丽 王强
一、前言
层绞式光缆作为光缆结构采用最普遍的一种类型，被全世界光缆业认同。松套管层绞式光缆多年来一直使用在各种条件下的管道、直埋、隧道或架空等环境中，实际应用证明了该种光缆的机械物理及环境性能的优异。
而光缆用于管道或架空时，对于相同的光纤芯数，小尺寸、轻重量显然具有明显的优势，在网络建设时减轻重量可以降低光缆的牵引力，或减轻架空时吊线的负载；管道敷设时能节约有限的管道资源，又容易气吹敷设。同时，在人孔和接头盒内可预留更大长度、容许较小的弯曲半径且更加柔软。
光缆的小尺寸、轻重量要求的是结构紧凑型设计，这意味着光缆单位截面的光纤密度的增加。这一切的基础是减小松套管的尺寸，这又使中心加强件和保护用纵包钢带、外护套直径都减小。
二、小直径层绞式光缆结构
如图1所示，36纤室外小直径层绞式光缆的结构，松套管尺寸为φ1.8mm/1.2mm，单根松套管可以容纳6纤甚至更多。
图1 36纤小直径层绞式光缆结构示意图
三、松套管设计
1、松套管尺寸设计
松套管的尺寸设计在已知内径或外径的情况下，主要是壁厚的设计。而壁厚设计与松套管可能受的外部压力有关。
松套管所遭受的外部压力有两种：外部侧向压力和外部周向压力。通常松套管遭受到的是侧向压力，而松套管的抗侧压性能是评价松套管机械物理性能的重要手段，这已经是国际上通行的方法。
在侧压载荷下松套管发生形变，通常可分为三个阶段：第一阶段，形变很小，压力与形变几乎成线形正比关系，在此阶段，大多数形变都是弹性可逆的；第二阶段始于松套管的屈服点到达时，在此阶段，侧压力有一段时间几乎保持恒定而形变却仍然继续增加，其中形变是塑性的；第三阶段，加大侧压力的结果是松套管的上部与下部逐渐接触。
在实际应用中，松套管在成缆及其以后可能会遭受到较高的侧压力。为保证松套管在受力后的变形为塑性形变，进行侧压试验对松套管检验。
根据公认的经验值，松套管至少可以承受以垂直方向变形至内径的10%，塑性形变的极限值约能达到松套管内径的30%。
针对我们设计的φ1.8mm/1.2mm的松套管进行了侧压载荷试验，其侧压力完全可以承受在成缆过程中及成缆后的外部压力。
2、光纤余长控制
松套管制造工艺关键是控制光纤的余长，小直径层绞式光缆的松套管在挤制过程中，需改进生产工艺，优化工艺参数。
松套管中的光纤余长一般控制在-0.2‰～+0.5‰之间，小的负的余长是允许的，这是因为必然存在松套管的后收缩。
松套管内光纤余长的形成是通过设置前后两段温度不同的冷却水槽，中间安装一个轮式牵引盘用于隔离张力，松套管材料冷却收缩获得光纤余长。影响光纤余长因素很多，主要包括光纤放线张力大小、牵引轮径和圈数、纤膏温度、冷却水温、牵引张力、收线张力和环境温度等。
（1）光纤放线张力
光纤放线张力大，光纤则被拉紧、拉直，余长减小，甚至出现负的余长。
（2）热水槽温度与冷水槽温度差
两者温差大则余长大。这是因为松套管的材料的热膨胀系数远大于光纤，当两者从某一温度冷至室温时，松套管的收缩量比光纤大的多，因此光纤获得大余长。
（3）牵引轮径和圈数
松套管在生产过程中绕在中间轮式牵引盘上，由于光纤存在张力，光纤在管内尽量按最小曲率半径分布，使得光纤长度短于松套管长度形成负余长。另外因为油膏的粘滞力，光纤并不一定完全紧靠松套管内侧，所以牵引盘尺寸越大，获得的负余长越小。
（4）纤膏温度
填充纤膏预热温度越高，纤膏的粘度越低，对光纤运行的影响越小，越不易获得较大的光纤余长。
（5）生产线速度
线速度高，松套管引到收线盘时仍为充分冷却，存在后收缩，光纤余长就大。
（6）收线张力
对最终收缩有影响，其中对于后收缩小的影响不大；凡存在后收缩的，收线张力大，收缩就小，光纤余长就越小。故收线张力要适当小些。
四、成缆工艺优化
影响成缆工序的因素很多，主要包括节距的大小和扎纱张力的大小。对于壁厚很薄的松套管，这两个因素更为严格。
1、节距设计
在成缆过程中，成缆节距太小，或成缆节距不均匀，会造成小的弯曲半径，致使光纤受到弯曲应力。节距的大小决定了光缆拉伸窗口的大小。成缆节距是除束管余长外另一个决定拉伸窗口的结构参数，是成缆工艺中最关键的工艺参数。光缆节距一般通过下式求得： 
（1）
式中：
ε——为拉伸窗口；
b ——为光纤束管的绞合半径；
r ——为光纤在束管中的自由度。
（2）
式中：
din——为光纤束管内径；
do ——为单根光纤直径；
n ——为光纤束管内的光纤芯数。
在上述公式中，ε的确定很重要，它由光缆加强件的拉伸窗口、束管内的光纤余长以及SZ绞合的附加拉伸窗口来确定。
光缆加强件的拉伸窗口ε´通过下式求得：
（3）
式中：
F——为光缆标准短期拉力；
R——为加强件半径；
Ef——为加强件杨氏模量。
当采用SZ绞合成缆时在SZ绞合反转处还有一个附加的拉伸窗口，其数值为1‰左右，此时：
ε=ε´-1‰—束管余长 （4）
通过上面的公式可以算出不同结构光缆的节距，但这只是一个理论值范围，在实际生产中我们还需要不断的试验，最终得到一个最适宜的范围值，方可进行成批的生产。
在实际生产中，小直径层绞式结构光缆的成缆节距范围为110mm±10mm。
2、扎纱控制
对于束管壁厚很薄的小直径层绞式光缆来说，扎纱张力是一个关键的工艺参数。在生产过程中，张力太大，会损坏松套管，使光纤受力；张力太小，松套管会在加强件表面滑动，使绞合节距、SZ反向角发生变化，最终会影响光缆护套的挤塑工序。
在小直径层绞式光缆的扎纱过程中，扎纱张力一定要适中，而且还要稳定。这就对我们的扎纱设备提出更高的要求，老的扎纱设备已经不能满足小直径层绞式光缆的生产要求。新的扎纱装置采用了同点反向交叉的扎纱方式，这种扎纱方式可以使纱线质量中心集中在回转中心上，转动惯量很小，扎纱速度高。扎纱装置同时采用主动放线控制，由伺服电机驱动，利用伺服电机的转矩，使电压与输出转矩呈良好的线性关系，扎纱张力在线可调。在整个生产过程中，随着纱团直径的变化，扎纱张力也会发生一定的改变，加入了纱线长度的测试装置，纱线张力在生产过程中获得一定的补偿，使张力保持恒定。在升速和降速过程中，扎纱也会发生大的波动，引入升速补偿和降速补偿，不会使张力发生大的变化。
五、光缆的制造与性能测试
1、制造
生产出6芯φ1.8mm/1.2mm的松套管，用于6～36芯不同规格的小直径层绞式光缆。经测试表明，光纤松套管中的光纤衰减正常，余长均匀合理。成缆过程中松套管外观未发生明显变化，成缆后衰减未发生明显变化。同时，护套工序生产顺利，经检验，成品光缆合格。
2、性能测试
针对结构为GYTS的光缆，进行了机械物理性能试验，包括拉伸、压扁、冲击、反复弯曲等项目。实验结果见表1。
六、结束语
小直径层绞式光缆可以节约制造成本，提高了产品的技术容量，在生产中已经得到广泛应用。随着数字电视、网络电视（IPTV）、第三代移动通信（3G）、3C融合等现代技术的进一步发展，对光通信容量的要求逐步加大，小直径层绞式光缆的应用前景越来越广阔。
层绞式光缆作为光缆结构采用最普遍的一种类型，被全世界光缆业认同。松套管层绞式光缆多年来一直使用在各种条件下的管道、直埋、隧道或架空等环境中，实际应用证明了该种光缆的机械物理及环境性能的优异。
而光缆用于管道或架空时，对于相同的光纤芯数，小尺寸、轻重量显然具有明显的优势，在网络建设时减轻重量可以降低光缆的牵引力，或减轻架空时吊线的负载；管道敷设时能节约有限的管道资源，又容易气吹敷设。同时，在人孔和接头盒内可预留更大长度、容许较小的弯曲半径且更加柔软。
光缆的小尺寸、轻重量要求的是结构紧凑型设计，这意味着光缆单位截面的光纤密度的增加。这一切的基础是减小松套管的尺寸，这又使中心加强件和保护用纵包钢带、外护套直径都减小。
二、小直径层绞式光缆结构
如图1所示，36纤室外小直径层绞式光缆的结构，松套管尺寸为φ1.8mm/1.2mm，单根松套管可以容纳6纤甚至更多。
图1 36纤小直径层绞式光缆结构示意图
三、松套管设计
1、松套管尺寸设计
松套管的尺寸设计在已知内径或外径的情况下，主要是壁厚的设计。而壁厚设计与松套管可能受的外部压力有关。
松套管所遭受的外部压力有两种：外部侧向压力和外部周向压力。通常松套管遭受到的是侧向压力，而松套管的抗侧压性能是评价松套管机械物理性能的重要手段，这已经是国际上通行的方法。
在侧压载荷下松套管发生形变，通常可分为三个阶段：第一阶段，形变很小，压力与形变几乎成线形正比关系，在此阶段，大多数形变都是弹性可逆的；第二阶段始于松套管的屈服点到达时，在此阶段，侧压力有一段时间几乎保持恒定而形变却仍然继续增加，其中形变是塑性的；第三阶段，加大侧压力的结果是松套管的上部与下部逐渐接触。
在实际应用中，松套管在成缆及其以后可能会遭受到较高的侧压力。为保证松套管在受力后的变形为塑性形变，进行侧压试验对松套管检验。
根据公认的经验值，松套管至少可以承受以垂直方向变形至内径的10%，塑性形变的极限值约能达到松套管内径的30%。
针对我们设计的φ1.8mm/1.2mm的松套管进行了侧压载荷试验，其侧压力完全可以承受在成缆过程中及成缆后的外部压力。
2、光纤余长控制
松套管制造工艺关键是控制光纤的余长，小直径层绞式光缆的松套管在挤制过程中，需改进生产工艺，优化工艺参数。
松套管中的光纤余长一般控制在-0.2‰～+0.5‰之间，小的负的余长是允许的，这是因为必然存在松套管的后收缩。
松套管内光纤余长的形成是通过设置前后两段温度不同的冷却水槽，中间安装一个轮式牵引盘用于隔离张力，松套管材料冷却收缩获得光纤余长。影响光纤余长因素很多，主要包括光纤放线张力大小、牵引轮径和圈数、纤膏温度、冷却水温、牵引张力、收线张力和环境温度等。
（1）光纤放线张力
光纤放线张力大，光纤则被拉紧、拉直，余长减小，甚至出现负的余长。
（2）热水槽温度与冷水槽温度差
两者温差大则余长大。这是因为松套管的材料的热膨胀系数远大于光纤，当两者从某一温度冷至室温时，松套管的收缩量比光纤大的多，因此光纤获得大余长。
（3）牵引轮径和圈数
松套管在生产过程中绕在中间轮式牵引盘上，由于光纤存在张力，光纤在管内尽量按最小曲率半径分布，使得光纤长度短于松套管长度形成负余长。另外因为油膏的粘滞力，光纤并不一定完全紧靠松套管内侧，所以牵引盘尺寸越大，获得的负余长越小。
（4）纤膏温度
填充纤膏预热温度越高，纤膏的粘度越低，对光纤运行的影响越小，越不易获得较大的光纤余长。
（5）生产线速度
线速度高，松套管引到收线盘时仍为充分冷却，存在后收缩，光纤余长就大。
（6）收线张力
对最终收缩有影响，其中对于后收缩小的影响不大；凡存在后收缩的，收线张力大，收缩就小，光纤余长就越小。故收线张力要适当小些。
四、成缆工艺优化
影响成缆工序的因素很多，主要包括节距的大小和扎纱张力的大小。对于壁厚很薄的松套管，这两个因素更为严格。
1、节距设计
在成缆过程中，成缆节距太小，或成缆节距不均匀，会造成小的弯曲半径，致使光纤受到弯曲应力。节距的大小决定了光缆拉伸窗口的大小。成缆节距是除束管余长外另一个决定拉伸窗口的结构参数，是成缆工艺中最关键的工艺参数。光缆节距一般通过下式求得：
（1）ε——为拉伸窗口；
b ——为光纤束管的绞合半径；
r ——为光纤在束管中的自由度。
（2） 式中：
din——为光纤束管内径；
do ——为单根光纤直径；
n ——为光纤束管内的光纤芯数。
在上述公式中，ε的确定很重要，它由光缆加强件的拉伸窗口、束管内的光纤余长以及SZ绞合的附加拉伸窗口来确定。
光缆加强件的拉伸窗口ε´通过下式求得：
（3）式中：
F——为光缆标准短期拉力；
R——为加强件半径；
Ef——为加强件杨氏模量。
当采用SZ绞合成缆时在SZ绞合反转处还有一个附加的拉伸窗口，其数值为1‰左右，此时：
ε=ε´-1‰—束管余长 （4）
通过上面的公式可以算出不同结构光缆的节距，但这只是一个理论值范围，在实际生产中我们还需要不断的试验，最终得到一个最适宜的范围值，方可进行成批的生产。
在实际生产中，小直径层绞式结构光缆的成缆节距范围为110mm±10mm。
2、扎纱控制
对于束管壁厚很薄的小直径层绞式光缆来说，扎纱张力是一个关键的工艺参数。在生产过程中，张力太大，会损坏松套管，使光纤受力；张力太小，松套管会在加强件表面滑动，使绞合节距、SZ反向角发生变化，最终会影响光缆护套的挤塑工序。
在小直径层绞式光缆的扎纱过程中，扎纱张力一定要适中，而且还要稳定。这就对我们的扎纱设备提出更高的要求，老的扎纱设备已经不能满足小直径层绞式光缆的生产要求。新的扎纱装置采用了同点反向交叉的扎纱方式，这种扎纱方式可以使纱线质量中心集中在回转中心上，转动惯量很小，扎纱速度高。扎纱装置同时采用主动放线控制，由伺服电机驱动，利用伺服电机的转矩，使电压与输出转矩呈良好的线性关系，扎纱张力在线可调。在整个生产过程中，随着纱团直径的变化，扎纱张力也会发生一定的改变，加入了纱线长度的测试装置，纱线张力在生产过程中获得一定的补偿，使张力保持恒定。在升速和降速过程中，扎纱也会发生大的波动，引入升速补偿和降速补偿，不会使张力发生大的变化。
五、光缆的制造与性能测试
1、制造
生产出6芯φ1.8mm/1.2mm的松套管，用于6～36芯不同规格的小直径层绞式光缆。经测试表明，光纤松套管中的光纤衰减正常，余长均匀合理。成缆过程中松套管外观未发生明显变化，成缆后衰减未发生明显变化。同时，护套工序生产顺利，经检验，成品光缆合格。
2、性能测试
针对结构为GYTS的光缆，进行了机械物理性能试验，包括拉伸、压扁、冲击、反复弯曲等项目。实验结果见表1。
表1 机械性能试验结果
| 项目 | 结果 |
| 拉伸 | 拉伸负荷1500N，试验过程中附加衰减0.01dB，试验后0.01dB，护套不开裂 |
| 压扁 | 1000N/100mm压力，持续时间1min，试验过程中附加衰减0.01dB，试验后无附加衰减，护套不开裂。 |
| 冲击 | 冲击5次。试验过程中和试验后都无附加衰减，护套不开裂。 |
| 反复弯曲 | 弯曲角度90度，扭转次数30次，配重10kg，弯曲半径100mm的试验情况下，反复弯曲后的光纤附加衰减最大值为0.04dB（1310nm波长）。 |
六、结束语
小直径层绞式光缆可以节约制造成本，提高了产品的技术容量，在生产中已经得到广泛应用。随着数字电视、网络电视（IPTV）、第三代移动通信（3G）、3C融合等现代技术的进一步发展，对光通信容量的要求逐步加大，小直径层绞式光缆的应用前景越来越广阔。
