影响光缆抗冲击压扁性能因素的探究 | 光电通信

一、 引言

光缆机械性能包括轴向的抗拉伸和径向的抗冲击、压扁等指标，主要模拟光缆在实际施工和日常使用中可能承受的各种外力影响，如滚石冲击、车辆碾压、拖拽等。长期以来，业内对光缆产品的拉伸性能关注较多，也进行了深刻的理论研究，而对抗冲击和压扁的研究报道较少。但是，在实际使用过程中，光缆受到冲击和压扁的场景也很普遍，因此客户在技术规格书中对光缆此类性能的要求也越来越高，以保证施工和使用的安全性和稳定性。

由于冲击和压扁涉及的力学问题较复杂，理论研究需借助专业软件进行仿真计算，而大部分制造类企业尚不具备搭建仿真平台进行理论研究的条件。因此，我们主要采用了对比试验的方法，通过试验数据加理论推理，得到影响光缆冲击和压扁性能的关键因素，从而给研发人员在光缆结构设计时提供数据参考。

二、光缆结构设计

根据客户提供的技术规范书要求，光缆为12芯中心束管式且最大外径≤10.0 mm。据此，笔者设计了五种截面如图1所示的光缆结构，具体参数见表1。

上述结构缆芯均为单根束管，光单元采用油膏填充式，12芯全色谱光纤，护套层均采用高密度聚乙烯HDPE材料。其中，结构1#光单元为PBT松套管，钢带+绕包钢丝+双层护套形式；结构2-1#/ 2-2#/ 2-3#光单元均为不锈钢焊管，绕包钢丝+单层护套形式，外护壁厚分别为1.2 mm、1.5 mm、2.0 mm；结构3#光单元为PBT松套管，钢带+W型护套。

三、技术要求

参照IEC60794-1-2有关光缆机械性能试验方法，其测试条件及要求如下表2所示。

四、试验情况及分析

1、压扁试验

压扁试验是模拟光缆在施工和使用过程中受到人或车辆碾压的影响，根据试验条件要求：平板压扁要求5000 N/100 mm，顶杆压扁要求2000 N/25 mm，过程中附加衰减要求≤0.05 dB，残余附加衰减要求≤0.03 dB。针对上述光缆，我们进行了压扁比对试验，试验过程中附加衰减数据如下表3所示。

注：表中数据为平板压扁过程中附加衰减数值，黄色为不合格项。

通过表3中数据可以看出，结构1#中平板压扁及顶杆压扁过程中附加衰减均超过要求值（≤0.05 dB）；结构2#中不同壁厚的平板压扁均能满足要求，当壁厚﹤1.2mm时，顶杆压扁附加衰减超标，通过增大壁厚到≥1.5 mm时，顶杆压扁可满足要求；结构3#中平板压扁能满足要求，顶杆压扁试验做了10个点，其中有1个点过程中附加衰减轻微超标。

综上所述，将套管由PBT换为不锈钢焊管或增大护套壁厚能明显的改善光缆的压扁性能。

2、冲击试验

冲击试验是模拟光缆在施工或使用过程中受到山石或工具等重物下落冲击的影响，根据试验条件要求：冲击能量要求20 J，冲击锤直径要求50 mm，弧面半径要求300 mm，过程中附加衰减要求≤0.05 dB，残余附加衰减要求≤0.03 dB。针对上述光缆，我们进行了冲击比对试验，试验过程中附加衰减数据如下表4所示。

注：表中数据为冲击过程中附加衰减数值，黄色为不合格项。

通过试验我们发现，结构1#能够满足冲击要求；结构2#中，当壁厚﹤2.0 mm时发生了冲击断纤现象，壁厚≥2.0 mm时能够满足冲击要求，试验后剥开光缆发现即使壁厚≥2.0 mm时焊管也发生了较为严重的变形；结构3#能够满足冲击要求。

综上所述，当冲击能量较大时，光缆中的缓冲层对冲击性能有较大影响，相反的，光单元为焊管时并不利于光缆冲击。

五、结论

本文试图通过试验数据来探究影响光缆压扁和冲击性能的关键因素，主要设计了五种光缆结构，其主要的差异在于光缆的刚性元件及缓冲层厚度。

从试验结果来看，增大光缆的刚性或缓冲层厚度能大大提高平板压扁和顶杆压扁性能。相反的，光缆的刚性太强不利于冲击性能的提高，缓冲层厚度的增加能明显的改善冲击性能。在我们的认知中，增加光缆的刚性部分有利于提高其抗冲击和压扁性能，但是在实际中发现刚性的增加并不利于冲击性能的提高，主要原因是冲击力和压扁力存在重大差异：压扁力由长度为100mm的钢板或直径为25mm的顶杆产生，逐步加力且作用时间较长；冲击力由直径为50mm的冲锤产生，瞬时加力，力的作用时间很短。因此护套的回弹性对于光缆冲击性能有较大的影响，可以将作用力均匀的分散在光缆中，大大缓解光缆变形的程度，而钢带、焊管及铠装钢丝的回弹性较差，瞬时冲击会产生较大的永久变形，对光纤产生较大的挤压力，从而造成较严重的断纤现象。

在设计此类光缆结构时，要保证光缆的抗冲击和压扁性能，我们可更多的考虑从增大缓冲层厚度方面入手，不仅可以节约制造成本，而且能大大降低设备及工艺的难度。