责任编辑：匿名 (未验证)
2011/07/25
作者：任明当 冯雅娟 任俊萍
一、前言
中心束管式光缆和层绞式光缆是两种典型的光缆结构型式。光缆中的核心元件为光纤，在中心束管式光缆中，光纤处在光缆的中心轴线上，不论光缆如何弯曲，光纤的应变最小，结构设计角度看，对光缆中光纤保护极佳。缺点是难以设计结构余长，且当光缆中光纤容量超过12芯时，因标准色谱所限，解决方案欠佳；层绞式光缆比较方便设计结构余长，纤芯容量也容易扩展，但光纤在缆中所处位置不如中心管式光缆，易受到外力产生应变。法尔胜研发的中心管束式光缆就是采用两种光缆的优点，优化结构设计的一种光缆产品，该光缆结构新颖，性能优良，便于分支和下线，为用户提供了方便。
二、光缆结构设计思路
如前言所述，我们在光缆结构设计时，应集各种经典光缆的优点为一身，克服各种光缆的不足，为用户提供更优的性能，并且让用户使用更加方便。因此，除了设计常规考虑之外，还应考虑以下几点：
1、类似中心束管式光缆，将光纤置于最贴近光缆的中心轴线，使光缆弯曲时，应变最小。
2、光缆结构上使得光缆中所有元件都起到了对光纤的保护作用。
3、类似层绞光缆一样，设计时能保证提供足够的结构余长，改善光缆的耐环境性能，和抗张性能。
4、由于目前光纤只有12种颜色，当纤芯容量超过12纤时，容易扩展。
5、目前光缆接头盒中的盘纤盘大多12纤，结构的设计应能方便与12纤盘纤盘兼容。用束管直接将光纤送达盘纤盘。
三、光缆结构分析及性能优化设计
目前光纤只有12种颜色，中心束管光缆大多12芯以下。当光缆纤芯容量超过12芯时，通常有两种解决方案，一种是采用光纤束式，就是采用不同的颜色扎纱，将光纤分组扎成光纤束，再将各光纤束放置于中心束管中，实现光纤的扩容；另一种是采用色环光纤，就是采用不同色环区分同一种颜色的光纤，实现光纤容量扩展。
以上两种方法虽然都达到了中心管式光缆纤芯容量的扩展，但是，市场上光纤接头盒中，光纤的盘纤盘大多采用12芯的积木式结构，中管式光缆在接头盒中，就无法实现束管直接将光纤送至接线盘，给使用带来不便。这就是结构设计中要优化的问题！
法尔胜光通有限公司工程技术人员，采用了管束式替代了束管式，即采用多根束管形成管束，替代单根束管。光缆护套采用轧纹钢带纵包轻铠，双钢丝加强，保留了中心束管式光缆的优点，很好的解决了设计思路中提出的各种问题，取得了良好的效果。结构如图1所示。
图1 中心管束式光缆
四、结构设计核算
1、GYXTW－18B1光缆结构设计
图2 光缆尺寸
束管外径为1.9mm，每管6根光纤；三根束管采用S-Z绞合，构成光缆缆芯，缆芯外径dc：
dc=2×0.823+1.9+0.5=4.1mm；
皱纹钢带轻铠，外径约为5.6mm；采用1.0mm双钢丝加强，厚度为2.8mm聚乙烯外护套。光缆直径d1=11.2mm。
2、应变窗口核算
束管外径1.9mm，内径1.3mm，光纤6根，光纤外径0.25mm。光纤等效直径：
。因光纤无扎纱，侧应力时并非为圆，乘0.8系数，def=0.57mm。管中光纤的间隙c=1.3-0.57=0.73mm，绞合节距55mm。
节距中束管轴线长度
当光纤在束管中沿r最大分布时，最大容纳光纤长度：
相对余长为：
。
当光纤在束管中沿r最小分布时，最小允许光纤长度
相对余长为：
由此可得光缆的应变窗口为：-2.8‰<ε<4.4‰
3、光纤曲率半径核算
光缆正常状态下，光纤在光缆中的曲率半径：
r=0.823mm，h=55mm 代入得：
，完全满足要求。
4、光缆抗张力核算
钢丝截面积为
钢带截面积：Ad=0.15X20=3 mm2
束管截面积：
PE截面积：
光缆的综合抗张模量：
由此可得：
在1500牛顿下，应变
。满足设计要求。
5、光缆的综合温度性能
光缆的综合温度系数计算公式：
将光缆中各元件的结构面积和相关参数代入得：
光缆由常温20度下降到零下40度，光缆中的光纤余长增量：
6、光缆中光纤余长设计
综合以上分析，我们从两方面考虑：一是当光缆从20度下降至零下40度时，光缆可收缩1.39‰，而光缆中容纳光纤余长为4.4‰，所以光缆本身的光纤余长不宜大于3%；另一方面考虑，标准规定光缆在额定拉伸力下，允许光纤应变为3‰，我们知道光缆本身可提供一个2.8‰窗口，所以光缆本身光纤余长不宜小于0.2‰；由此可得到光纤余长范围为：0.2‰≤ε≤3‰
中心值为1.6‰，故生产过程中余长控制为1.6±0.5‰，达到十分理想和容易效果。至此，我们就完成了光缆的结构设计。
五、光缆生产与验证
六、结论
法尔胜光通研发的中心管束式光缆，由三根束管绞合形成了管束，替代了中心束管，含有光纤的管束处在光缆的几何轴线上，体现了中心管式光缆的优点；三根束管采取的绞合技术，产生了结构余长，体现了层绞光缆的优点；既不用色环光纤，也不用扎纱方式，方便实现光纤容量的扩展，每根束管最大容纤量可达12芯，并且在光缆接头盒中，每根束管可直接把光纤送达盘纤盘，大大方便了用户，操作方便。光缆通过全性能检测，性能十分优良，实践证明实为很好的光缆结构形式。
中心束管式光缆和层绞式光缆是两种典型的光缆结构型式。光缆中的核心元件为光纤，在中心束管式光缆中，光纤处在光缆的中心轴线上，不论光缆如何弯曲，光纤的应变最小，结构设计角度看，对光缆中光纤保护极佳。缺点是难以设计结构余长，且当光缆中光纤容量超过12芯时，因标准色谱所限，解决方案欠佳；层绞式光缆比较方便设计结构余长，纤芯容量也容易扩展，但光纤在缆中所处位置不如中心管式光缆，易受到外力产生应变。法尔胜研发的中心管束式光缆就是采用两种光缆的优点，优化结构设计的一种光缆产品，该光缆结构新颖，性能优良，便于分支和下线，为用户提供了方便。
二、光缆结构设计思路
如前言所述，我们在光缆结构设计时，应集各种经典光缆的优点为一身，克服各种光缆的不足，为用户提供更优的性能，并且让用户使用更加方便。因此，除了设计常规考虑之外，还应考虑以下几点：
1、类似中心束管式光缆，将光纤置于最贴近光缆的中心轴线，使光缆弯曲时，应变最小。
2、光缆结构上使得光缆中所有元件都起到了对光纤的保护作用。
3、类似层绞光缆一样，设计时能保证提供足够的结构余长，改善光缆的耐环境性能，和抗张性能。
4、由于目前光纤只有12种颜色，当纤芯容量超过12纤时，容易扩展。
5、目前光缆接头盒中的盘纤盘大多12纤，结构的设计应能方便与12纤盘纤盘兼容。用束管直接将光纤送达盘纤盘。
三、光缆结构分析及性能优化设计
目前光纤只有12种颜色，中心束管光缆大多12芯以下。当光缆纤芯容量超过12芯时，通常有两种解决方案，一种是采用光纤束式，就是采用不同的颜色扎纱，将光纤分组扎成光纤束，再将各光纤束放置于中心束管中，实现光纤的扩容；另一种是采用色环光纤，就是采用不同色环区分同一种颜色的光纤，实现光纤容量扩展。
以上两种方法虽然都达到了中心管式光缆纤芯容量的扩展，但是，市场上光纤接头盒中，光纤的盘纤盘大多采用12芯的积木式结构，中管式光缆在接头盒中，就无法实现束管直接将光纤送至接线盘，给使用带来不便。这就是结构设计中要优化的问题！
法尔胜光通有限公司工程技术人员，采用了管束式替代了束管式，即采用多根束管形成管束，替代单根束管。光缆护套采用轧纹钢带纵包轻铠，双钢丝加强，保留了中心束管式光缆的优点，很好的解决了设计思路中提出的各种问题，取得了良好的效果。结构如图1所示。
图1 中心管束式光缆
四、结构设计核算
1、GYXTW－18B1光缆结构设计
图2 光缆尺寸
dc=2×0.823+1.9+0.5=4.1mm；
皱纹钢带轻铠，外径约为5.6mm；采用1.0mm双钢丝加强，厚度为2.8mm聚乙烯外护套。光缆直径d1=11.2mm。
2、应变窗口核算
束管外径1.9mm，内径1.3mm，光纤6根，光纤外径0.25mm。光纤等效直径：
。因光纤无扎纱，侧应力时并非为圆，乘0.8系数，def=0.57mm。管中光纤的间隙c=1.3-0.57=0.73mm，绞合节距55mm。节距中束管轴线长度
当光纤在束管中沿r最大分布时，最大容纳光纤长度：
相对余长为：
。当光纤在束管中沿r最小分布时，最小允许光纤长度
相对余长为：
由此可得光缆的应变窗口为：-2.8‰<ε<4.4‰
3、光纤曲率半径核算
光缆正常状态下，光纤在光缆中的曲率半径：
r=0.823mm，h=55mm 代入得：
，完全满足要求。4、光缆抗张力核算
钢丝截面积为
钢带截面积：Ad=0.15X20=3 mm2
束管截面积：
PE截面积：
光缆的综合抗张模量：
表1 光缆中各元件的模量、线胀系数
| 序号 | 名称 | 比重(g/cm3) | 线胀系数(1/℃) | 杨氏模量(MPa) |
| 1 | 高碳钢丝 | 7.8 | 1.3×10-5 | 190000 |
| 2 | 复合钢带 | 7.8 | 1.3×10-5 | 100000 |
| PBT | 1.3 | 13．1×10-5 | 2500 | |
| 3 | HDPE | 0.94 | 1.2×10-4 | 700 |
| 4 | 光纤 | 5.5×10-7 | 72500 |
在1500牛顿下，应变
。满足设计要求。5、光缆的综合温度性能
光缆的综合温度系数计算公式：
将光缆中各元件的结构面积和相关参数代入得：
光缆由常温20度下降到零下40度，光缆中的光纤余长增量：
6、光缆中光纤余长设计
综合以上分析，我们从两方面考虑：一是当光缆从20度下降至零下40度时，光缆可收缩1.39‰，而光缆中容纳光纤余长为4.4‰，所以光缆本身的光纤余长不宜大于3%；另一方面考虑，标准规定光缆在额定拉伸力下，允许光纤应变为3‰，我们知道光缆本身可提供一个2.8‰窗口，所以光缆本身光纤余长不宜小于0.2‰；由此可得到光纤余长范围为：0.2‰≤ε≤3‰
中心值为1.6‰，故生产过程中余长控制为1.6±0.5‰，达到十分理想和容易效果。至此，我们就完成了光缆的结构设计。
五、光缆生产与验证
设计方案确定之后，我们通过完善生产工艺，进行了3管18芯（6芯/管）的产品试制，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2 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 |
管色/纤别 | 1310nm | 1550nm | 合格 |
| 兰/兰 | 0.327 | 0.187 | 合格 | ||||
| 兰/橙 | 0.320 | 0.180 | |||||
| 兰/绿 | 0.324 | 0.193 | |||||
| 兰/棕 | 0.327 | 0.186 | |||||
| 兰/灰 | 0.330 | 0.191 | |||||
| 兰/白 | 0.330 | 0.188 | |||||
| 橙/兰 | 0.330 | 0.182 | |||||
| 橙/橙 | 0.325 | 0.187 | |||||
| 橙/绿 | 0.331 | 0.186 | |||||
| 橙/棕 | 0.329 | 0.188 | |||||
| 橙/灰 | 0.329 | 0.180 | |||||
| 橙/白 | 0.330 | 0.189 | |||||
| 绿/兰 | 0.328 | 0.186 | |||||
| 绿/橙 | 0.327 | 0.185 | |||||
| 绿/绿 | 0.323 | 0.188 | |||||
| 绿/棕 | 0.329 | 0.186 | |||||
| 绿/灰 | 0.332 | 0.182 | |||||
| 绿/白 | 0.329 | 0.181 | |||||
| 2 | 护套标称厚度 | mm | ≥1.0 | 1.10 | 合格 | ||
| 3 | 护套外径 | mm | - | 10.22 | 合格 | ||
| 4 | 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% | 5.24 | 合格 | ||
表3 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 |
| 兰/兰 | 0.010 | 0.005 | |||||
| 兰/橙 | 0.000 | -0.009 | |||||
| 兰/绿 | 0.006 | -0.002 | |||||
| 兰/棕 | 0.010 | 0.010 | |||||
| 兰/灰 | 0.003 | 0.006 | |||||
| 兰/白 | 0.004 | 0.003 | |||||
| 橙/兰 | 0.004 | 0.011 | |||||
| 橙/橙 | 0.007 | 0.003 | |||||
| 橙/绿 | 0.006 | 0.007 | |||||
| 橙/棕 | 0.008 | 0.000 | |||||
| 橙/灰 | -0.004 | 0.018 | |||||
| 橙/白 | -0.002 | 0.007 | |||||
| 绿/兰 | 0.006 | 0.008 | |||||
| 绿/橙 | 0.006 | 0.006 | |||||
| 绿/绿 | 0.010 | 0.001 | |||||
| 绿/棕 | 0.007 | 0.008 | |||||
| 绿/灰 | 0.004 | 0.013 | |||||
| 绿/白 | 0.005 | 0.003 | |||||
| 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4 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≤0.10 | Max=0.004 | 合格 |
| 长期期拉力600N， 幅值≤0.005 |
Max=0.002 | |||||
| 附加衰减 | dB | 幅值≤0.03 | Max=0.029 | |||
| 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=0.009 | 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 | 残余 附加衰减 |
dB | 450g，1m，5个点，各5次，幅值≤0.03 | Max=0.021 | 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 | 残余 附加衰减 |
dB | 弯曲半径20D，循环30次，挂重150N，幅值≤0.03 | Max=0.025 | 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≤0.03 | Max=0.021 | 合格 |
| 外观 | － | 扭转后外护套无目力可见开裂 | 无目力可见开裂 | |||
图3
从检测结果看，光缆的各项技术指标十分优良，完全达到了设计要求，也说明该光缆结构设计合理，性能优良，操作方便，是一种十分完美的结构型式。六、结论
法尔胜光通研发的中心管束式光缆，由三根束管绞合形成了管束，替代了中心束管，含有光纤的管束处在光缆的几何轴线上，体现了中心管式光缆的优点；三根束管采取的绞合技术，产生了结构余长，体现了层绞光缆的优点；既不用色环光纤，也不用扎纱方式，方便实现光纤容量的扩展，每根束管最大容纤量可达12芯，并且在光缆接头盒中，每根束管可直接把光纤送达盘纤盘，大大方便了用户，操作方便。光缆通过全性能检测，性能十分优良，实践证明实为很好的光缆结构形式。
