一種新型小彎曲半徑大拉力低損耗微細(xì)拖曳光纜

宋 杰，段永昌，辛秀東

(1. 上海電纜研究所有限公司特種電纜技術(shù)國家重點試驗室，上海 200093；2. 中國船舶集團有限公司第701 研究所，武漢 430064）

0 引言

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的拖曳線纜種類眾多，用于信號傳輸?shù)闹饕譃閮煞N：拖曳通信電纜和拖曳通信光纜。拖曳通信電纜采用的金屬銅導(dǎo)體材料，重量比較重，衰減大，結(jié)構(gòu)尺寸大；拖曳光纜采用玻璃纖維傳輸介質(zhì)，重量輕，衰減遠遠小于銅纜，抗干擾，傳輸距離遠，結(jié)構(gòu)尺寸比拖曳電纜小很多。一般的拖曳光纜采用非常細(xì)的玻璃纖維（0.125 mm）作為傳輸介質(zhì)，不如拖曳電纜抗彎曲、抗側(cè)壓和抗拉力。特別是在某些使用空間受限制的區(qū)域，不僅需要拖曳線纜結(jié)構(gòu)尺寸越小越好，而且要保證能承受足夠的拉力，又能在受到彎曲側(cè)壓狀況下正常通信。因此，怎樣提高拖曳光纜的抗彎曲、抗測壓和抗拉性能，怎樣盡量減小結(jié)構(gòu)尺寸，對拖曳光纜的研發(fā)、材料選型和生產(chǎn)制造提出了更高的要求。

上海電纜研究所結(jié)合用戶的實際需求和應(yīng)用環(huán)境，見圖1 所示，設(shè)計開發(fā)了一種高可靠的小彎曲半徑大拉力低損耗微細(xì)拖曳光纜。通過新型的結(jié)構(gòu)形式、工藝和材料，將光纜外徑做到了2.0 mm，解決了在小工作空間內(nèi)存儲拖曳光纜的問題，同時解決了在裝備出口處存在的側(cè)壓和彎曲狀況對拖曳光纜的不利影響。

圖1 拖曳光纜在某一裝置上的應(yīng)用示意圖

本微型拖曳光纜的通信介質(zhì)為單芯單模光纖，光纖單元外徑0.6 mm，光纜外徑2.0 mm，破斷力達到了3 600 N，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的放線，并能夠在小彎曲（直角彎）、工作拉力（工作拉力80 kg），即能在水下滿足4.5 MPa 的橫向水密性能的拖曳傳輸作業(yè)，也可以應(yīng)用于陸上或空中的拖曳傳輸作業(yè)，具有高可靠的安全性。

1 拖曳光纜的使用要求

這種小彎曲半徑大拉力低損耗微細(xì)拖曳光纜主要的技術(shù)要求見表1 所示。

表1 單芯縱向水密拖曳光纜主要試驗項目及要求

2 光纜設(shè)計

2.1 材料選型

1）光纖

光纖主要有單模光纖和多模光纖兩大類。多模光纖使用波長一般在1 300 nm 和850 mn，衰減分別在1.0 dB/km 和3.0 dB/km；單模光纖使用波長一般在1 310 nm 和1 550 mn，衰減分別在0.4 dB/km 和0.3 dB/km。單模光纖衰減比多模光纖小很多，另外還要根據(jù)終端的負(fù)載使用波形來確定采用哪種光纖。因此，根據(jù)本項目需求選擇單模光纖更合適。

目前單模光纖用的最多的是 G.652D 和G.657 兩種型號的光纖。兩種光纖的主要區(qū)別是：G.652D 光纖適合長途通信用光纖，在彎曲條件不高的場合使用；G.657 光纖屬于小彎曲光纖，能夠在較小的彎曲半徑下其損耗變化很小，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于智能樓宇的布線系統(tǒng)中，存在很微小彎曲環(huán)境下，如皮線光纜等。本項目光纜在使用中，要求抗彎曲性能好，在彎曲過程中的附加衰減越小越好。因此，我們選定G.657 光纖。

2）緊包材料

光纖緊包主要有兩種形式：擠出型和涂覆型。在材料選擇上主要有：PVC、尼龍和涂覆丙烯酸樹脂。PVC 材料柔軟，強度底，抗側(cè)壓性、抗拉能差；外徑一般控制在0.9 mm 以上，很難做到0.6 mm。尼龍可以實現(xiàn)薄壁擠出，外徑能夠做到0.6 mm，但是尼龍材料偏硬，伸長率小。

紫外固化丙烯酸酷涂料具有優(yōu)異綜合物理性能和良好的抗化學(xué)品性能及耐候性，同時固化速度快，可提高生產(chǎn)效率。當(dāng)今世界上使用的光導(dǎo)纖維都是用紫外光固化涂料對其進行保護，并用紫外固化著色涂料對光纖進行著色和并帶，使光纖在其使用壽命內(nèi)有良好可靠性。紫外光固化樹脂可將緊包光纖的直徑縮小到0.6mm 或甚至更小，使更緊湊的光纜設(shè)計變得可能。

3）抗拉元件

應(yīng)用于拖曳光纜的抗拉元件一般有鋼絲、FRP、芳綸纖維和PBO 纖維等，但是鋼絲、FRP比重大，太硬，不適合應(yīng)用在柔軟和要求比重小的光纜里邊，另外不適合應(yīng)用在0.6mm 的線材外編織。因此我們選用纖維作為抗拉元件。

在眾多高性能纖維中，PBO 纖維（聚對苯撐苯并二噁唑纖維）力學(xué)性能優(yōu)異，纖維強度達到5.8 GPa（芳綸為2.9～3.4 GPa），模量達到280GPa（芳綸為64～144 GPa），化學(xué)穩(wěn)定性極好，除溶解于100%的濃硫酸、甲基磺酸、多聚磷酸等強酸外 , 在其他所有的有機溶劑和堿中都是穩(wěn)定的，強度幾乎不變，是目前綜合性能最好的有機纖維，被稱為21 世紀(jì)的“超級纖維”。由于本光纜外徑限制，需要采用更少的纖維，達到可靠的抗拉強度，故選用了PBO 纖維。

4）護套

光纜護套主要有：聚烯烴護套和聚氨酯護套。聚烯烴護套偏硬，而聚氨酯屬于彈性體彎曲性能比聚烯烴好很多，具有優(yōu)良的耐磨、抗彎折性能，又具非常好的耐油、耐鹽霧和橫向水密性能。因此，我們選用聚氨酯材料作為拖曳光纜護套材料。

5）抗側(cè)壓元件

根據(jù)使用需求，拖曳光纜外有一段需要承受彎曲和側(cè)壓的狀況（見圖1）。一般抗側(cè)壓元件選用：鋼帶繞包、鎖扣鎧管、不銹鋼彈簧管（見圖2）。由于本光纜外徑非常細(xì)，抗彎折鎧管纜外徑不能大于8.0 mm，采用鋼帶繞包從工藝上很難實現(xiàn)，也不耐彎曲。鎖扣鎧管彎曲半徑大，當(dāng)彎曲達到一定程度后不能再往更小的半徑彎曲。不銹鋼彈簧管伸縮彎曲自如，與同等尺寸的鎖扣鎧管相比，彎曲半徑更小。在不銹鋼帶彈簧管外編織一層高強度的不銹鋼絲，使得整體結(jié)構(gòu)具有很好的柔軟性、極強的抗側(cè)壓性，對內(nèi)部的拖曳抗拉段光纜提供了很好的保護作用。

圖2 鋼帶繞包、鎖扣鎧管、彈簧管鋼絲編織

2.2 光纜結(jié)構(gòu)設(shè)計

小彎曲半徑大拉力低損耗微細(xì)拖曳光纜由兩部分組成：拖曳抗拉段和抗彎曲抗側(cè)壓段。結(jié)構(gòu)特征見圖3 所示：

圖3 浮標(biāo)拖曳光纜結(jié)構(gòu)示意圖

1）抗彎曲抗側(cè)壓段1：

拖曳抗拉段2、G.657 光纖4、0.6 mm 緊包涂覆層5、高強度纖維層6、2.0 mm 聚氨酯護套7、中空區(qū)8、304 不銹鋼帶彈簧管9、304 不銹鋼絲編織10、聚氨酯護套（外徑≤8.0 mm） 11，抗彎曲抗側(cè)壓段的兩側(cè)采用粘結(jié)型緩沖熱縮墊管12、粘結(jié)型防水熱縮套管3；

1) 拖曳抗拉段2：

G.657 光纖4、0.6 mm 緊包涂覆層5、高強度纖維層6、2.0 mm 聚氨酯護套7。

2.3 光纜性能設(shè)計

1）斷裂強度設(shè)計

為了保證光纖在工作拉力下的正常工作，選擇采用高強度的非金屬纖維加強件。本光纜的工作拉力為800 N（包括連接器），考慮到1.5 安全系數(shù)，連接器和抗拉元件連接處的拉斷力至少在1 200 N，取光纜安全系數(shù)2.5（經(jīng)驗值），則光纜的拉斷力至少需要3 000 N。

加強件的結(jié)構(gòu)形式一般有：編織、絞合、直放。采用編織結(jié)構(gòu)方式，可以實現(xiàn)左右對稱的圓形結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)編織機偶數(shù)錠編織方式。我們采用的12 根高強度的PBO 纖維1 100 dtex，其單根拉斷力達到了350 N，光纜破斷力計算：

式中:n為增強材料的根數(shù)，f為單根增強材料抗拉強度，α為編織角度，編織節(jié)距盡量大，編織角度在此2°。根據(jù)上式，采用12 根PBO 滿足設(shè)計要求。

1) 抗彎曲抗側(cè)壓設(shè)計

光纜在使用過程中，經(jīng)過一個直角出口位置會存在光纜彎曲和側(cè)壓影響，但是光纜外徑限制在了2.0 mm，不能整體采用加強件，因此考慮在光纜出口處對光纜加強。

如果只靠彈簧鋼管不易實現(xiàn)加工工藝，彈簧鋼管整體柔軟，容易被拉伸，不能直接擠出護套。因此，我們采用彈簧鋼管+鋼絲編織組合方式，既能解決上述問題，又能增強鎧管的抗側(cè)壓性能。

在光纜的拖曳抗拉段，2.0 mm 的光纜穿過不銹鋼帶彈簧管，并和不銹鋼帶彈簧管之間具有一定的中空區(qū)，可以防止外界對2.0 光纜的擠壓和摩擦；通過在304 不銹鋼帶彈簧管外編織一層304不銹鋼絲，并采用大壓力擠出一層高強度耐磨的聚氨酯彈性體護套，使得整體結(jié)構(gòu)具有很好的柔軟性和抗側(cè)壓性，并對內(nèi)部2.0 mm 的光纜提供了很好的保護作用。

在光纜的抗彎曲抗側(cè)壓段的兩端，粘結(jié)型緩沖熱縮墊管放在中空區(qū)位置，可有效避免不銹鋼彈簧管和不銹鋼絲的邊緣對內(nèi)部2.0 mm 光纜的切割。在抗彎曲抗側(cè)壓段的兩端，采用粘結(jié)型防水熱縮套管將拖曳抗拉段和抗彎曲抗側(cè)壓段兩部分連接為一體（見圖3 所示位置），防止兩者相對滑動，增強了光纜的可靠性。

3 光纜關(guān)鍵工藝

3.1 光纖緊包涂覆：

涂覆材料采用可紫外光固化的丙烯酸酯作為緊套層材料，在紫外固化爐中以特定頻率的紫外燈光照射，并滿足一定時間和強度要求，使涂層固化，得到緊套層。這種加工方法通過選擇合適的出口模，涂覆材料固化后的外徑可做到在0.15～1.0mm，并易于控制偏心，且不需冷卻水槽，生產(chǎn)線長度大為縮短。

為了確保光纖在使用壽命期內(nèi)有良好的可靠性能，除了需選擇優(yōu)質(zhì)的紫外固化涂覆材料外，涂覆材料充分的固化也非常重要。紫外固化涂覆材料在光固化過程中，其固化進程會受到固化溫度、紫外固化燈的強度和其他因素的影響。因此需要根據(jù)材料的性能、工藝速度等狀況來選擇被加工涂料的最優(yōu)的固化條件，使材料得到最優(yōu)的固化，以保證光纖的質(zhì)量。

3.2 光纜加強件編織：

PBO 編織：為了防止避免光纜在拉伸時產(chǎn)生較大的伸長，編織節(jié)距盡量大。選用適合的束絲模具，防止過緊擠壓光纖。編織過程中，要注意觀察編織的穩(wěn)定性，防止出現(xiàn)斷線、刮絲現(xiàn)象，不允許有接頭情況。

不銹鋼彈簧管外不銹鋼絲編織：由于彈簧管很容易彎曲和被拉長，需要選擇合適的束絲模，并控制好張力，使彈簧管和鋼絲同步有序進入束絲模。編織過程中，要注意觀察編織的穩(wěn)定性，不得出現(xiàn)斷線，不允許有接頭現(xiàn)象。

3.3 光纜護套擠制：

護套采用聚醚型聚氨酯護套料。護套料應(yīng)預(yù)先進行80℃，12 h 干燥處理；為避免PBO 編織中存在潮氣，光纜的纜芯也應(yīng)預(yù)先進行80℃，12 h 烘干處理。

為了避免護套和PBO 纖維編制層之間粘接在一起，但又需要緊密貼合，擠出方式采用擠管式擠出，控制好各區(qū)的擠出溫度，必要時采用抽真空方式。光纜的護套厚度在0.5 mm，擠出難度大，需要選用合適的模具，控制速度，以防止護套出現(xiàn)脫料、竹節(jié)、焦料、針孔現(xiàn)象。

3.4 光纜抗彎曲抗側(cè)壓段工藝

光纜的抗彎曲抗側(cè)壓段和拖曳抗拉段需要根據(jù)使用位置，將兩者連接好。在光纜的抗彎曲抗側(cè)壓段的兩側(cè)采用粘結(jié)型緩沖熱縮墊管和粘結(jié)型防水熱縮套管的形式進行固定連接（見圖3 所示）。具體步驟：

1)根據(jù)使用長度截取2.0 mm 拖曳光纜、抗彎曲抗側(cè)壓段的聚氨酯護套彈簧管、粘結(jié)型緩沖熱縮墊管和粘結(jié)型防水熱縮套管；

2)根據(jù)聚氨酯護套彈簧管的長度，在2.0 mm拖曳光纜上確定粘結(jié)型緩沖熱縮墊管的位置并熱封，使彈簧管的兩側(cè)端頭位置在粘結(jié)型緩沖熱縮墊管中間位置；

3)將聚氨酯護套彈簧管穿在2.0 mm 拖曳光纜，采用粘結(jié)型防水熱縮套管熱封。

4 光纜性能驗證

由于本小彎曲半徑大拉力低損耗微細(xì)拖曳光纜使用條件復(fù)雜，試驗方法不可能完全按照光纜的標(biāo)準(zhǔn)（如GB/T 7224-2020、GJB 1428B-2009）進行實施，如直角彎工作拉力試驗，橫向水壓試驗、反復(fù)彎曲試驗等。我們根據(jù)產(chǎn)品的實際應(yīng)用情況，在標(biāo)準(zhǔn)試驗方法基礎(chǔ)上設(shè)計了新的試驗方法，已驗證產(chǎn)品的可靠性。

4.1 30m 光纜光纖插損

由于光纜長度只有30 m，為了準(zhǔn)確的測試光纜的插損，我們采用G.657 尾纖輔助、熔接機熔接和光源功率計測試的截斷法進行測試。在波長1 310 nm 和1 550 nm 的光纖插損分別為：0.02 dB/0.01 dB。

4.2 光纜工作拉力下直角彎試驗

本試驗根據(jù)光纜實際使用工況而設(shè)計，為了驗證光纜在出口處工作拉力下產(chǎn)生直角彎曲時的光纖的通信狀態(tài)。試驗方案見圖4 所示，將光纜試樣兩端的PBO 加強件固定于拉力機夾具，直角彎位置在光纜的抗彎曲抗側(cè)壓段位置，將鎧管在長方體工裝上繞一圈。為了測試光纜的伸長率，伸長率測試標(biāo)尺在光纜的拖曳抗拉段位置。

圖4 光纜工作拉力下直角彎試驗

試驗情況：光纜在的軸向拉力達到800 N 時，并保持4 h 后，光纜的各個單元沒有產(chǎn)生斷裂，護套無目力可見的裂紋、開裂或撕裂現(xiàn)象；光纜的伸長率為0.9%；1 310 nm/1 550 nm 波長下光纖附加衰減為0.10 dB/0.06 dB。

4.3 光纜反復(fù)彎曲試驗

結(jié)合實際應(yīng)用情況，光纜彎曲試驗參照GJB 1428B-2009 中4.5 進行。試驗裝置如圖5 所示。芯軸直徑應(yīng)為5 倍光纜直徑，兩芯軸之間距離在100 mm，載荷80 kg，彎曲位置在光纜的抗彎曲抗側(cè)壓段位置。

圖5 光纜反復(fù)彎曲試驗

試驗情況：光纜在載荷80 kg 的拉力，耐磨抗彎折加強段部分承受彎曲直徑40 mm，彎曲角度±90°的試驗條件下，進行了100 次循環(huán)彎曲后試驗后，護套無目力可見的裂紋、開裂或撕裂現(xiàn)象；光纖附加衰減為0.02 dB/0.05 dB（測試波長：1 310 nm/1 550 nm）。

4.3 光纜耐靜水壓力試驗

因光纜在水下200 m 水深下使用，需要考慮光纜的橫向耐水壓性能。結(jié)合參照GJB 1916-94試驗方法，設(shè)計新的橫向水密試驗方案，見圖6所示。

圖6 靜水壓力試驗

光纜承受4.5 MPa 水壓，經(jīng)過4 h 后，試樣自由端無水滴出；光纖附加衰減為0.01 dB/0.02 dB（測試波長：1 310 nm/1 550 nm）。

5 總結(jié)

拖拽線纜一般具有柔韌、抗拉、耐磨等特性，工作環(huán)境惡劣，特別是對線纜的工作拉力和彎曲性能要求高。隨著中國航空、海洋產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，水下、海上及空中作業(yè)項目越來越頻繁，所用設(shè)備越來越先進，同時對線纜的要求提出了越來越高的要求。拖曳線纜不僅要具有高強度的抗拉性能，以保障裝備的安全性，還要具有良好的傳輸性能。因此此類線纜在保證具有小彎曲半徑、大工作拉力和低損耗的前提下，尺寸越小越好，以減小工作空間和重量。

由于應(yīng)用環(huán)境各不相同，拖曳線纜的種類各種各樣，性能要求各不相同，因此產(chǎn)品設(shè)計需要根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境進行設(shè)計開發(fā)。本文以上海電纜研究所研發(fā)的一種高可靠的小彎曲半徑大拉力低損耗微細(xì)拖曳光纜為例，介紹光纜的研發(fā)過程、工藝要點、試驗方法等，為我國的這種微信拖曳線纜的研發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用提供參考。