Расчет геометрических размеров ВОК

Разнообразие областей применения ОВ в системах волоконно-оптической связи требует, чтобы были разработаны самые различные конструкции кабелей с соответствующими размерами и материалами. Исходя из структуры волокна, которая описана в гл. 3, выбираются соответствующие конструкции сердечника кабеля, оболочки, силовых элементов, брони и защитной оболочки, с тем чтобы волоконно-оптический кабель имел высокую надежность и долгий срок эксплуатации. Особое значение должно быть уделено тому, чтобы ОВ в этих кабелях не повреждались из-за воздействий окружающей среды, таких как температурные перепады и механические нагрузки.

Для повышения механической прочности волоконно-оптических кабелей с модульной конструкцией ОМ свиваются вокруг центрального элемента, который при этом может служить опорой как для защиты от продольного изгиба, так и для защиты от нагрузок на растяжение. Главным образом благодаря скрутке световоды в ОМ имеют определенное свободное пространство, в пределах которого нагрузки на растяжение, изгиб, сжатие, не выходящие за определенные рамки, не оказывают влияния на передаточные характеристики. Наряду с одно- и многоволоконными ОМ в различном исполнении (ОВ в полой оболочке, со сплошной оболочкой, компактные жгуты ОВ, ленточные конструкции ОВ) могут дополнительно свиваться в сердечник кабеля заполнители (кордели), а также медные жилы в виде пар или четверок. Совокупность этих скручиваемых элементов и силовых элементов, предотвращающих изгиб и нагрузки на растяжение, а также скрепляющей ленты или оболочки вокруг них, если таковая имеется, образуют сердечник кабеля.

В волоконно-оптической кабельной технике, восновном, применяется повивная скрутка элементов сердечника. Рассмотрим порядок расчета конструкции ОК с повивной скруткой сердечника.

Согласно [13] диаметр элемента в волоконно-оптическом кабеле повивной скрутки с числом п скручиваемых элементов первого повива, все из которых имеют диаметр D (рис. 4.16), может быть определен с помощью выражения вида:

(4.75)

где θ — угол скрутки и элементов первого повива сердечника ОК.

Диаметр повива определяется по выражению:

(4.76)

Диаметр сердечника ОК с учетом поясной изоляции:

(4.77)

где Δ_ПИ — толщина поясной изоляции ОК.

Если в конструкции ОК имеется несколько повивов (m), то диаметр сердечника по последнему повиву:

(4.78)

где р — число повивов кабеля.

Тогда диаметр сердечника ОК с учетом поясной изоляции:

(4.79)

Общий диаметр кабеля с промежуточной оболочкой, броней из плоских лент и в защитном шланге определяется из выражения:

, (4.80)

где Δ_ОБ, Δ_П, Δ_БР и Δ_Ш — радиальные толщины оболочки, подушки, брони и защитного шланга.

В табл. 4.2 приводятся значения диаметров элементов сердечника ОК, рассчитанных по выражениям (4.75), (4.76) и (4.78) для количества скручиваемых элементов в первом повиве и от п до 12 при θ=90.

Таблица 4.2. Значения различных диаметров для расчета сердечника кабеля

при двухповивной скрутке

Особым типом кабеля одноповивной скрутки является кабель с профилированным сердечником. В нем ОВ свиваются послойно не в трубках ОМ, а в заранее сформированных пазах, которые проложены спиралеобразно в поверхности ПС. Как отмечалось в гл. 3, в зависимости от размера и формы этих углублений в них могут свободно перемещаться одно или несколько ОВ — отдельно или в виде ленточной конструкций. Как и в случае с ОВ в полой оболочке, эти пазы заполняются компаундом. Если требуется конструкция кабеля без гидрофобного заполнителя, то водонепроницаемость по длине может быть обеспечена с помощью набухающей водозащитной ленты или пряжи.

Для того чтобы еще больше увеличить число ОВ в кабеле, в пределах одной общей внешней оболочки могут быть свиты по модульному принципу несколько отдельных кабельных элементов в виде профилированных сердечников. Преимущество этой конструкции в сочетании с ленточной компоновкой у кабелей с большим количеством ОВ (более 100) заключается, с одной стороны, в большой плотности упаковки и, с другой стороны, в упрощенной технологии соединения вследствие упорядоченного размещения ОВ.

Расчет конструкции профилированного сердечника ОК выполняется по [1]. При известной величине диаметра профилированного сердечника (D_ПС) диаметр ОК с такими же броневыми покровами определяется по выражению:

(4.81)

где Δ_Л — толщина скрепляющего слоя сердечника ОК.

При повивной скрутке сердечника ОК из нескольких одинаковых профилированных элементов диаметр сердечника ОК определяется по (4.79). В этом случае в выражении (4.78) вместо D₁ принимается D_ПС.

При рассмотрении особенностей расчета диаметра ОК гофрированной, ленточной или круглопроволочной бронией толщина этой брони Δ_БР будет определяться следующим образом.

При наличии гофрированной брони ее толщина определяется с учетом высоты гофров. При расчете толщины ленточных покровов поступают как и в случае кабелей с медными жилами. Если перекрытие смежных витков ленты, измеренное по ее ширине, меньше 25 %, учитывается только одна ее толщина, при перекрытии 25 - 30 % — толщина 1,5 ленты, а при перекрытии более 33 % — двойная толщина ленты [14].

Диаметр проволоки при бронировании ОК одним слоем определяется по выражению:

, (4.82)

где χ — коэффициент скрутки бронепроволок; h — шаг скрутки; D₁ — диаметр кабеля под бронепроволоками.

При выборе толщины защитного шланга ОК исходят из надежности и гибкости оболочки.

Большая толщина шланга повышает его надежность, но отрицательно сказывается на гибкости. Гибкость шланга ОК обратно пропорциональна ее жесткости, т. е. произведению модуля упругости материала Е на момент инерции сечения оболочки J:

, (4.83)

где J= 0,05 (D⁴_{ОБ НАР}- D⁴_{ОБ ВН}).

Например, модуль упругости полиэтилена низкого давления равен в среднем 200 МПа, т.е. на 25 % больше модуля упругости свинца (160 МПа). Так как полиэтиленовые защитные шланги еще примерно в 1,5 раза толще свинцовых, то в результате первые значительно (почти вдвое) жестче вторых. Излишняя толщина п, следовательно, повышенная жесткость полиэтиленовых защитных шлангов затрудняют выкладку кабелей по стенкам колодцев.

По мере накопления производственного и эксплуатационного опыта целесообразно постепенно оптимизировать толщину полимерных защитных шлангов отечественных кабелей с учетом мирового опыта конструирования и эксплуатации ОК.