大芯数松套层绞式光缆的结构参数设计和拉伸性能测试

俞兴明，李 寰

(1.苏州市职业大学 电子信息工程系，江苏 苏州 215104；2.吴江市胜信光电科技有限公司，江苏 吴江 215200）

光缆的结构是根据不同的使用场合和使用环境设计的.大芯数松套层绞式光缆主要用于城域网和用户接入网的干线光缆，在敷设和使用过程中不可避免地使光缆承受拉伸力，同时，我国幅员辽阔，在南方使用的光缆所处温度可达60 ℃以上，在北方的冬季最低温度可达-30 ℃以下，在西南地区昼夜温差达20 ℃以上，因此，影响该类光缆的传输性能乃至使用寿命的主要是拉伸性能和耐高低温性能.国家通信行业标准YD/T 901对光缆的拉伸性能和温度性能有明确的指标要求，通信光缆制造厂必须合理设计光缆的结构、选择合适的材料、并且在生产过程中对关键参数严格控制，才能生产出符合标准要求的合格光缆.本文以GYTA 144B1型松套层绞式光缆为例，讨论光缆结构尺寸的设计，特别是光纤无应变时光缆拉伸窗口的设计、材料选择，最后给出实际的光缆拉伸试验结果.

1 松套层绞式光缆的结构

通信光缆的结构主要有层绞式、中心束管式和骨架式三种典型形式，目前国内采用较多是层绞式和中心束管式.GYTA 144B1型144芯松套层绞式光缆的结构如图1所示.光缆缆芯是由中心加强构件、松套光纤、扎纱和铝带聚乙烯粘结护套等组成.光缆内所有空间都应填充复合物，形成全截面阻水结构.每管松套光纤由12根光纤组成，为便于各松套管识别，松套管采用红、绿领示色谱.松套管内光纤遵照蓝、桔、绿、棕、灰、白、红、黑、黄、紫、粉红、青绿的色谱规定.

GYTA 144B1光缆缆芯的成缆由外径相同的12管松套光纤以SZ绞方式(如图2所示)、以合理的节距和适当的张力层绞在中心加强构件的四周.松套管采用领示色谱时，领示色为红色和绿色，面向光缆A端，在顺时针方向上红和绿顺序排列.

图1 GYTA 144B1光缆结构图

图2 SZ绞台示意图

2 光缆结构尺寸的确定和材料选择

2.1 光纤松套管

(1) 光纤松套管的尺寸根据管中光纤的数量来确定，同一光缆中其松套管的尺寸相同.所生产的12芯光纤松套管，其外径为Ф(2.20±0.05) mm，壁厚为(0.40±0.05) mm，内径为(1.40±0.10) mm.松套管中光纤为G.652D标准单模光纤.

(2) 光缆中最常用的松套管材料为工程塑料PBT(Polybutylene terephthalate)，选择PBT材料时应符合国家通信行业标准YD／T 1118.1-2001《光纤用二次被覆材料第一部分：聚对苯二甲酸丁二醇酯》的要求.PBT主要技术性能指标有：屈服拉伸强度、屈服伸长率、断裂伸长率、拉伸弹性模量、邵氏硬度等.松套管填充油膏是一种触变型的复合物，通常简称纤膏，填充的纤膏应不损害光纤的光传输特性和使用寿命，选用时应符合YD／T 839.3-1996《通信电缆光缆用填充和涂覆复合物第三部分：冷应用型填充复合物》的规定.

(3) 松套管中的光纤余长控制，光纤余长是指光纤相对于松套管的富余长度.光纤套塑工序是控制光纤余长的关键，生产中主要利用PBT材料与光纤的线热胀系数相差较大，如PBT的热胀系数为70×10-6，二氧化硅为0.6×10-6，采用二次冷却方式，即温差法来形成光纤相对松套管形成正余长，在二次套塑时控制余长在0.3‰～0.5‰.

2.2 加强构件

(1) 加强构件材料选择，金属加强构件，选用经过防腐处理的高强度光缆专用单圆磷化钢丝，其杨氏模量应不低于190 GPa，中心加强构件在光缆制造长度内不允许接头，包括垫层在内的直径Ф7.0 mm.在钢丝外紧密挤包一层适当厚度的塑料垫层，垫层表面应圆整光滑，外径达到工艺规定的尺寸，垫层与钢丝之间必须紧密结合，防止间隙纵向渗水，其材料与填充缆膏应相容.

(2) 中心加强构件的结构尺寸，中心加强构件是光缆在生产、施工和应用时承受拉力的关键元件.本光缆的中心加强构件采用单股磷化高碳钢丝，外面挤包一层MDPE塑料垫层.包覆垫层后的外径主要是为了满足其四周排列12根光纤松套管的需要；钢丝的直径要满足光缆承受YD/T 901-2001标准的相关要求.钢丝直径d可用下式计算[1]

式中：F为YD／901-2001标准所要求的光缆能承受短期拉力(1 500 N)，εc为光缆中光纤允许的应变(＜0.1%)时光缆拉伸窗口，取保守的经验值2.0‰(见下文计算)，E为加强件的杨氏模量(≥190 GPa).

把上述数据代入公式计算得出，d=2.25 mm.为了保险起见，取磷化钢丝直径d=2.5 mm即可.

2.3 绞缆

制造的GYTA 144B1光缆采用SZ绞，把松套光纤绞合在中心加强构件上，并用扎纱扎牢.松套光纤SZ绞在中心加强构件的好处是能进一步获得无光纤应变时光缆的拉伸窗口，绞合节距h越小，光缆拉伸窗口εc越大.另外，SZ绞反转处还有一个附加的拉伸窗口，其值约为1‰，进一步改善了光缆的拉伸性能[2].

光缆成缆时，松套光纤放线张力的调整很关键，调整其张力的大小，可以控制成缆后消除光纤在松套管中的多余的原始余长，使光纤在松套管中占中心的位置.

假设绞合成缆后光纤都处于松套管的中心位置，则光缆的拉伸窗口可由下式计算[2]：

式中：b为光纤松套管的绞合半径；h为绞合节距；r为光纤在松套管中的自由度，由下式计算：

式中：din为光纤松套管内经；df为光纤束等效直径

式中：n为松套管内光纤的芯数；d0为单根光纤的直径.

GYTA 144B1光缆的h=150 mm，b=7.0/2+2.2/2=4.6 mm，n=12，d0=0.25 mm.将这些数据代入式(2)～式(4)，计算得到此光缆的拉伸窗口εc=1.56‰，再加上SZ绞转向处的附加拉伸窗口1‰，此光缆的总的拉伸窗口应为2.56‰.

2.4 护套

护套为铝塑粘结综合护套，护套材料采用线性低密度聚乙烯(LLDPE)，成品光缆直径约16.4 mm.护套的机械物理和耐环境性能应满足国家通信行业标准YD／T 901-2001的要求.

3 GYTA 144B1型光缆的拉伸应变性能试验

光缆在实际生产、敷设和使用过程中受到的力主要是拉伸力，因此光缆的机械性能中最重要的是拉伸性能.通常将光缆所受的拉伸力归结为两种：一种是长期受力，这是指光缆在敷设后在长期使用过程中所受的残余拉伸力；二是指光缆的短期受力，这是指光缆在敷设过程中可能受到的拉伸力.国家通信光缆行业标准TD／T 901-2001对此两种情况下都作了光纤的最大允许应变和附加衰减的规定[3]，如表1所示.

光缆松套管内光纤余长的波动及拉伸的情况，可从测试光缆拉伸应变曲线和衰减变化曲线分析得出结果.因此通过测试光缆的拉伸应变特性曲线可以反映出光缆的设计参数和生产控制参数，并及时进行调整和控制.

对按照上述方案设计制造的GYTA 144B1光缆在光缆拉伸试验机上进行拉伸应变试验，试验主要设备为上海电缆研究所制造的PK2800型光缆色散应变测试仪.受试光缆长度为50 m，拉伸速率为10 mm/min，持续时间1 min，卡盘直径为60 cm.试验得到的结果分别如图3、图4所示.图3为光缆的拉伸应变(拉伸率)与拉力的关系，图4为各光纤在拉力作用下的附加衰减情况(受力刻度同图3).由测试结果可见，此光缆在拉到2 000 N时还无明显的附加衰减(＜0.03 dB即认为无明显衰减)，在拉力达到2 000 N时拉伸率尚小于2‰，此时缆中的光纤根本没有应变，完全符合设计的目标.还做了其它机械性能试验如扭曲、冲击、压扁、弯折等试验，结果完全符合标准要求，限于篇幅，这里就不一一列出了.

表1 光缆受力与允许的光纤最大应变和附加衰减

图3 GYTA 144B1光缆的拉伸-应变曲线

图4 GYTA 144B1光缆拉伸时的输出光功率衰减-拉力曲线

4 结 论

理解通信光缆的设计目标和设计原理是生产合格光缆的前提，只有合理设计光缆的结构、参数，在制造过程中的各个环节严格加以保证，建立并实施完善的质量保证体系，才能生产出符合国家通信行业标准YD／T 901-2003的通信光缆，保证通信网的可靠运行.

[1] 胡先志.光纤与光缆技术[M].北京：电子工业此版社，2007.

[2] 陈炳炎.光纤光缆的设计和制造[M].杭州：浙江大学出版社，2003.

[3] YD／T 901-2001 层绞式通信用室外光缆[S].北京：原信息产业部，2001.