一种微型自承式光缆的设计与制造

摘要：根据光缆的应用环境，介绍了微型自承式（GYXTC8Y）光缆的设计方案，阐述了该光缆结构设计、制造过程中的工艺控制要点，依据这些要点，设计出一套特殊模具，通过精细的过程控制，并不断的实践探索、特性测试，成功制造出一种微型自承式8字形光缆。
关键词：自承式8字形光缆；结构设计；工艺控制；光学特性
 
一、引言
        随着通信业务不断飞速的发展，目前FTTH（光纤到户）网络建设新的敷设环境对光缆的设计提出了新的要求。在某些环境下，光缆需在杆塔之间、楼宇之间，以及杆塔直接入户的架空敷设。此时，传统的室外光缆就显现出重量、尺寸和弯曲半径过大、安装不便等条件的不足。为此，我司针对客户的需求及应用环境的特点，实施了自承式微型光缆的结构设计，并命名其型号为GYXTC8Y，光纤芯数从1~12芯不等。
 
二、光缆的结构设计方案
        1、光缆结构、立体设计图（如图1、图2）         2、设计特点
        由于该光缆应用方式为架空，特将其光缆设计成吊线+缆体的8字形结构，以高强度磷化钢丝作为自承加强件，并采用聚乙烯（PE）护套与缆体一次成形为8字形结构。对于光缆主体结构设计，为达到其结构柔软，也要兼顾其防潮和抗侧压功能，特在PBT松套管外绕放一根阻水纱。该结构光缆的特点：
      （1）尺寸小、重量轻，施工方便，可在楼宇及到户穿梭；
      （2）自承式结构，施工时无须再飞跨钢线，施工简单；
      （3）优良的防水能力、户外耐候性；
      （4）入户后，缆体与吊线可分离，且不影响光缆主体。
 
三、光缆的制造过程
        1、生产设备选择
        毫无疑问，生产设备在光缆的制造中起着举足轻重的作用，生产设备的性能直接影响到产品的性能、工艺参数和生产效益等，以下是我司所采用的某厂家的光缆设备示意图（如图3）：         该生产线示意图组成部位如下：
        1-钢丝放线架；2-钢丝张力控制轮；3-束管放线架；4-纵包台；5-挤塑机；6-电气控制柜；7-预热水槽；8-制冷水槽；9-储线架；10-半包式单牵引轮；11-单臂双轴收线架。
        2、特殊模具设计
        由于该缆结构小，且光缆主体无金属带铠装，属钢性体（吊线钢丝）与柔性体（PBT松套管）的有机结合。为此，要确保各结构元件的同心度和尺寸，则模具的加工方式和精度尤为重要。另外，此缆又要求吊带的总体宽度（W1）不变的情况下，即缆体与吊线部分撕裂分开后不得有余留护层PE料，同时也不能太过于容易分开，需保持一定撕裂力。为此，在不影响吊带宽度（W1）的外形下，我司根据设备的免调式机头设计了一套8字形免调模具，模具则按传统的挤管和挤压相结合方式设计，设计参数均按模具设计理论以及经验公式设计。以下是我司根据产品特点所设计的模具外形示意图（如图5，6，7）：         通过对外模吊带部分（如图4放大比例5:1）采用90°凸角设计，不仅克服了客户所要求的缆体与吊线分开后护层PE料余留缆体问题，同时也满足了撕裂强度。
        3、生产工艺控制
      （1）PBT松套管
        该缆主体结构中采用PBT松套，即聚对苯二甲酸丁二醇酯，英文名polybutylece terephthalate（简称PBT），属于聚酯系列，是由1.4-丁二醇（1.4-Butylene glycol）与对苯二甲酸（PTA）或者对苯二甲酸酯（DMT）聚缩合而成，并经由混炼程序制成的乳白色半透明到不透明，结晶型热塑性聚酯树脂。该材料特点具备优良的抗侧压性，可以控制光纤在松套管中均匀的余长，光纤余长的后续稳定性是决定光缆光学特性的重要因素之一。
        光纤处于松套管中，为确保光缆能在不同环境中保持良好的传输性能，需控制松套管中光纤余长在合理范围内。余长过大，光缆低温环境特性不良；余长小，拉伸时光纤应变性能变大。鉴于松套管的生产工艺复杂，我司经过不断的验证，确定了松套管的生产工艺，使光纤余长在工艺设计的合理范围内。
      （2）护套
        在护套挤塑过程中，由于PBT属于半结晶材料，其后续的光纤余长会随着温度、机械张力的变化而变化。为此，在护套制造中需对钢丝、束管放线张力、收线张力、水槽冷却进行监控并选定合适参数，同时也要对PE护套材料的热回缩参数进行关注，这里针对几个主要因素进行讨论：
        ①钢丝、束管放线张力
        中心管式光缆生产过程中的钢丝“预张紧”（张力），主要是靠设备的气动舞蹈轮控制，气动张力控制可以减少张力的波动，在全过程中起到保持钢丝张力的恒定作用。同样，松套管放线必须具备主动放线功能，其张力可采用加砝码的方式适当给定束管的张力。从理论上讲，各种加大钢丝张力，拉长钢丝的因素，最终都会导致余长的增加（二次余长为正），而加大松套管张力，拉伸松套管的因素则起到减小余长的作用。因此，钢丝、束管放线张力应根据光缆的设计以及试作验证综合适当调整。
        ②材料回缩特性（PBT /HDPE）
        众所周知，中心管式光缆敷设后其结构元件随着张力、环境温度等条件的变化均会有不同程度的回缩，而光缆回缩问题的解决方法也是各光缆制造厂家关注的工艺重点。回缩的现状通常分为护套回收、束管（PBT）后收缩两种，光缆的回缩与束管（PBT）和护套料聚乙烯（HDPE）材料有关，具体分析如下：
        PBT属于半结晶性材料，具有二次回缩性。虽然在二次套塑时，尽量让PBT收缩至最大，但事实上不可能收缩到位，在下机后还会继续收缩，由于套管成型时使用牵引上盘，对PBT有一个拉伸力（取向），原PBT大分子又有卷曲、收缩的内应力（解取向），直到两者最终达到平衡，如环境温度适应，束管在不受外力的情况下最终还可以收缩10‰~15‰。
        高密度聚乙烯（HDPE）塑料是结晶性材料，它从熔融态到冷却凝固时形成不同程度的结晶性物质。护套挤塑成形，是一种动态结晶过程，结晶度受到料筒温度、挤出压力、冷却速度等工艺参数的影响。通常在护套挤出成形时，不会达到结晶平衡，因此也有一个挤出后再结晶的过程，当光缆在常温状态下放置一段时间后，由于热胀冷缩的作用使护套长度方向收缩从而导致光纤余长增大。
        ③水槽冷却
        作为PE护套直接被覆在PBT松套管式光缆，通常在挤制PE护套时，松套管将遇到200℃以上的高温，在经过高温模具和挤制熔融PE料覆盖的同时，使得PBT遇热，分子进行再结晶产生二次收缩，余长增大或者转换为较大的PBT松套管内应力，造成结构的不稳定。为此，水槽的冷却时间、水温直接影响到光缆的性能稳定性。
        改善护套挤出工艺，减少护套的回缩以及束管的后收缩是该光缆的重要特性之一。鉴于护套PE料的结晶受冷却速度影响较大，从熔体状态冷却得愈快，结晶度愈低，反之亦然。因此，建议采用水槽分段冷却方式进行冷却，热水、温水到冷水逐步冷却或降低线速生产，确保光缆能得到充分的冷却时间，这样可以有效地缓解了护套回缩以及束管在后收缩问题。
 
四、光缆性能验证

序号	检验项目	执行标准	要求	测试结果	结论
1	拉伸	IEC60794-1-2 E1	负载：500N，纤应变：<0.15%，衰减<0.1dB。	应变0.09%，衰减0.003dB。	合格
2	压扁	IEC60794-1-2  E3	压扁力：700N/100mm，衰减<0.1dB 光纤不断裂，光缆结构无损坏。	无损坏	合格
3	扭转	IEC60794-1-2 E7	扭转角度：±180°，循环次数：10次 负载：20N，应无光纤断裂。	无断裂	合格
4	反复弯曲	IEC60794-1-2 E6	弯曲半径：20倍外径， 负载：40N，光纤无断裂。	无断裂	合格
5	冲击	IEC60794-1-2 E4	冲锤重量：1N，冲锤落高：1m，锤面半径：12.5mm， 应无光纤断裂，护套应无开裂。	无断裂、开裂	合格
6	卷绕	IEC60794-1-2 E11	芯轴直径：20倍外径，密绕圈数：6圈，循环次数：10次，应无光纤断裂；	无断裂	合格
7	滴流	IEC60794-1-2 E14	温度：70℃，持续时间：24h，无填充复合物和涂覆复合物滴出。	无滴出	合格

序号	检验项目		执行标准	要求	测试结果	结论
1	高低温特性		IEC60794-1-2 F1	1550≤0.4dB/km   -10℃~＋60℃ 两个循环点各恒温12h	见表3	合格
2		渗水	IEC60794-1-2 F5	水柱高度：1m，取样3m持续时间24h无渗水	无渗水	合格

五、结束语
        通过理论并结合生产实践验证，总结出该微型自承式光缆的关键工艺控制参数是根据光缆应用方式，设计出光缆结构，并对每一结构元件生产过程进行严格控制，尤其是护套工序的钢丝放线张力、松套管放线张力、挤塑的温度、水槽的冷却和收线的张力等工艺控制要点，同时调整这几个工艺参数来补偿束管中的余长变化，从而可以很好地解决了光缆在弯曲、拉伸以及环境性能中的特性。
        该光缆结构简单、紧密，缆径尺寸较小，易敷设。不仅柔软轻便，而且制造和安装成本低，从吊带处将吊线和缆体分离，缆芯部分可以直接进入室内，作为室内光缆敷设。

【1】陈炳炎. 光纤光缆的设计和制造（第二版）.
【2】 柳勇. 中心管式光缆的结构及工艺要点浅析.（光纤与光缆及其应用技术2003-3）