非金屬光纜加強(qiáng)芯錨固方法的研究

謝明海，謝琪超

（1.國(guó)網(wǎng)浙江電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000；2.寧夏大學(xué)，銀川 750021）

非金屬光纜加強(qiáng)芯錨固方法的研究

謝明海1，謝琪超2

（1.國(guó)網(wǎng)浙江電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000；2.寧夏大學(xué)，銀川 750021）

針對(duì)非金屬光纜加強(qiáng)芯的RFP材料的特性，設(shè)計(jì)了一種新的楔形錨固夾具，通過對(duì)這種新夾具的受力分析，得到了楔形角、楔塊長(zhǎng)度、加強(qiáng)芯抗剪強(qiáng)度、加強(qiáng)芯直徑、預(yù)應(yīng)力、材料間摩擦系數(shù)等因素之間的關(guān)系，確定了非金屬光纜加強(qiáng)芯夾具的基本結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的非金屬加強(qiáng)芯夾具可應(yīng)用于金屬光纜、非金屬光纜在各種場(chǎng)合的接續(xù)和端部固定，對(duì)提高光纜運(yùn)行可靠性有較大的幫助。

非金屬光纜；光纜接頭盒；FRP加強(qiáng)芯；錨固

0 引言

近年來，隨著電力系統(tǒng)對(duì)通信要求的提高以及光纜和光電通信設(shè)備價(jià)格的下降，光纜通信已經(jīng)成為電力系統(tǒng)最主要的通信方式。

電力通信光纜的種類很多，有各種特種光纜和普通光纜。普通光纜中的非金屬光纜無金屬構(gòu)件具有良好的電絕緣性能，變電站的引入光纜、與高壓線平行的光纜、多雷地區(qū)的光纜及變電站間的通信光纜普遍采用非金屬光纜。實(shí)際使用中，非金屬光纜的接續(xù)采用與帶金屬普通光纜同樣的方法，即光纜加強(qiáng)芯用螺栓壓緊固定。非金屬加強(qiáng)芯縱向抗拉強(qiáng)度比較高，但抗剪切強(qiáng)度比金屬加強(qiáng)芯差得多，因此用螺栓壓緊時(shí)可能會(huì)造成加強(qiáng)芯切削、開裂，給光纜的運(yùn)行埋下了安全隱患。

目前還沒有一種專用的非金屬光纜加強(qiáng)芯固定方法或金具，非金屬光纜的接續(xù)和端部固定成為一個(gè)難題。研究非金屬光纜加強(qiáng)芯錨固方法有利于光纜的安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)提高光纜通信可靠性有重要意義。

1 普通光纜的接續(xù)方式

光纜一般由外護(hù)套、光纖、加強(qiáng)芯等組成。普通光纜外護(hù)套、光纖不能承受拉力，施工和正常運(yùn)行時(shí)，外部拉力應(yīng)作用在光纜加強(qiáng)芯上。光纜加強(qiáng)芯分為金屬和非金屬2種材料。帶金屬光纜中心加強(qiáng)構(gòu)件采用高強(qiáng)度單圓鋼絲或由高強(qiáng)度鋼絲構(gòu)成的1×7單股鋼絲繩，材料為不銹鋼絲或磷化鋼絲。而非金屬光纜中心加強(qiáng)構(gòu)件采用FRP（纖維增強(qiáng)塑料）圓桿。

光纜是以盤為單位供貨的，一盤光纜通常為2～4 km，一條較長(zhǎng)的光纜線路由多段光纜通過成品的光纜接頭盒接續(xù)，包括：光纖接續(xù)、護(hù)層和加強(qiáng)芯的連接、接頭損耗的測(cè)量、接頭盒的封裝以及接頭保護(hù)的安裝。光纜接續(xù)時(shí)，把進(jìn)、出光纜的加強(qiáng)芯分別固定在接頭盒預(yù)留的螺栓壓接裝置上，再通過接頭盒的盒體接續(xù)，由加強(qiáng)構(gòu)件（加強(qiáng)芯）、接頭盒盒體共同承受施工和運(yùn)行時(shí)的拉力。光纜加強(qiáng)芯用螺栓壓接的方法如圖1所示。這種方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，在光纜接頭盒、光纜終端盒或機(jī)架上廣泛采用。

圖1 常規(guī)光纜加強(qiáng)芯的固定

2 非金屬光纜接續(xù)方式及接續(xù)故障原因分析

2.1 非金屬光纜加強(qiáng)芯的特點(diǎn)

FRP光纜加強(qiáng)芯是以玻璃纖維為增強(qiáng)材料，樹脂體系為基礎(chǔ)，在特定溫度下固化拉擠出的制品。玻璃纖維無捻粗紗是光纜加強(qiáng)芯的支撐骨架，從根本上決定了光纜加強(qiáng)芯的機(jī)械性能。復(fù)合材料中的樹脂基體將增強(qiáng)材料填充粘結(jié)成一個(gè)整體，起著傳遞和均衡載荷的作用，使增加材料能充分發(fā)揮力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)。樹臘基體決定了復(fù)合材料的耐熱性、耐化學(xué)腐蝕性能、耐候性、電絕緣性、電磁性等。

與磷化鋼絲材料相比較，F(xiàn)RP加強(qiáng)芯有下列優(yōu)點(diǎn)：輕質(zhì)高強(qiáng)；耐腐蝕性能好；電絕緣性能好；熱導(dǎo)率低、熱性能良好；可設(shè)計(jì)性好，工藝性優(yōu)良，可以使產(chǎn)品有很好的整體性，工藝簡(jiǎn)單，可以一次成型，經(jīng)濟(jì)效果突出。磷化鋼絲和FRP光纜加強(qiáng)芯的性能比較見表1。

表1 磷化鋼絲和FRP加強(qiáng)芯的性能

2.2 非金屬光纜加強(qiáng)芯接續(xù)故障原因分析

非金屬光纜加強(qiáng)芯用螺栓壓接固定，在壓接處發(fā)生斷裂、逃脫的概率很高，這是由FRP加強(qiáng)芯的力學(xué)特性和錨固裝置不適配造成的。

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 901-2009《層絞式通信用室外光纜》和YD/T 1181.3-2011《光纜用非金屬加強(qiáng)件的特性》中都對(duì)光纜加強(qiáng)芯的抗拉強(qiáng)度和楊氏模量作出了規(guī)定，但沒有對(duì)光纜加強(qiáng)芯抗剪切強(qiáng)度的要求。FRP是各向異性體，橫向抗剪切強(qiáng)度很低，玻璃纖維加強(qiáng)復(fù)合材料的橫向抗剪切強(qiáng)度僅為24.5 MPa，碳纖維加強(qiáng)復(fù)合材料的橫向抗剪切強(qiáng)度為71 MPa，因此FRP材料使用時(shí)應(yīng)盡量避免橫向受剪。

用螺栓壓接，要求光纜加強(qiáng)芯有足夠大的抗剪切強(qiáng)度。24芯非金屬光纜加強(qiáng)芯直徑為 2.6 mm，當(dāng)采用M4螺栓壓接時(shí)，由于螺栓與加強(qiáng)芯的接觸面積很難計(jì)算，因此采用假定值，取圖2中陰影面積的1/2，約為4.81 mm2。按FRP抗剪強(qiáng)度 24.5 MPa，則最大允許壓接力為 117.7N，F(xiàn)RP與鋼的摩擦系數(shù)為0.3，可知最大拉力F=2× 117.7×0.3=70.6 N，遠(yuǎn)小于光纜接頭盒的允許接力800 N。而采用同直徑的磷化鋼絲加強(qiáng)芯，拉力可以達(dá)到2 114.2 N。非金屬光纜加強(qiáng)芯除了抗剪強(qiáng)度低外，還存在應(yīng)力松弛和徐變，使非金屬加強(qiáng)芯的固定更加困難。

圖2 加強(qiáng)芯螺栓壓接

目前還沒有能用于非金屬光纜的接頭盒。不論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外的普通光纜接頭盒都只是用于金屬加強(qiáng)芯光纜，當(dāng)用于非金屬光纜的接續(xù)時(shí)，極易造成光纜加強(qiáng)芯的開裂、松脫直至斷開。運(yùn)行中的非金屬光纜端部加強(qiáng)芯處于不受力狀態(tài)，在外力作用，光纜外護(hù)套就會(huì)被拉出，造成光纜進(jìn)水、纖芯拉斷等故障。

3 非金屬加強(qiáng)芯夾具的研制

FRP加強(qiáng)芯采用螺栓壓接的端部錨固方式無法滿足工程的需要，應(yīng)尋找新的錨固方法，因此研制一種RFP加強(qiáng)芯夾具，該夾具能安全夾緊加強(qiáng)芯，加強(qiáng)芯上的拉力通過夾具傳遞到接頭盒上，可滿足工程需要。

3.1 FRP加強(qiáng)芯夾具的一般要求

加強(qiáng)芯夾具作為光纜連接器的一部分，性能要求除了應(yīng)滿足GB/T 12507.1-2000《光纖光纜連接器 第1部分：總規(guī)范》和YD/T 814.1-2013《光纜接頭盒 第一部分：室外光纜接頭盒》的規(guī)定外，還應(yīng)滿足當(dāng)拉力為800 N時(shí)，夾具對(duì)加強(qiáng)芯的橫向壓強(qiáng)小于24.5 MPa；外形尺寸應(yīng)滿足通用性的要求，安裝在普通的光纜接頭盒內(nèi)不影響原接頭盒的功能和光纜接續(xù)施工。

3.2 FRP加強(qiáng)芯夾具的受力分析

按照上述要求，遵循簡(jiǎn)單可靠的原則，提出FRP加強(qiáng)芯夾具采用2片楔塊式錨具，由滑動(dòng)楔塊、套筒等組成。由于FRP材料的橫向強(qiáng)度低，可能承受不了滑動(dòng)楔塊直接作用下的橫向擠壓力，從而導(dǎo)致FRP加強(qiáng)芯在壓接區(qū)損傷，使用時(shí)應(yīng)在滑動(dòng)楔塊與加強(qiáng)芯之間墊一層軟金屬套管作為緩沖層。楔塊式錨具的夾持性能主要受楔塊頂角角度、楔塊長(zhǎng)度以及楔塊所受水平力的影響。防止拉力過小或?yàn)樨?fù)時(shí)加強(qiáng)芯松脫，應(yīng)對(duì)錨具中的楔塊施加一定的預(yù)應(yīng)力。

在光纜接頭盒安裝完成并承受最大拉力的工況下，設(shè)夾具中單個(gè)滑動(dòng)楔塊施加的預(yù)應(yīng)力J為100 N，滑動(dòng)楔塊的角度為α，套筒壁與滑動(dòng)楔塊的摩擦系數(shù)為μ1，滑動(dòng)楔塊與鋁套管的摩擦系數(shù)為μ2，光纜加強(qiáng)芯與鋁套管的摩擦系數(shù)為μ3，滑動(dòng)楔塊受到光纜加強(qiáng)芯的拉力F、套筒壁對(duì)楔塊壓力M和摩擦力W、光纜加強(qiáng)芯對(duì)楔塊壓力Q，如圖3所示。

圖3 滑動(dòng)楔塊的受力示意

F為接頭盒中光纜加強(qiáng)芯所受最大拉力的一半，即400 N；μ1在有潤(rùn)滑劑時(shí)為0.1；μ2為0.30；μ3為0.28。因μ2〉μ3，不考慮滑動(dòng)楔塊與鋁套管間的滑動(dòng)，滑動(dòng)楔塊與加強(qiáng)芯無相對(duì)滑動(dòng)，則有以下關(guān)系式：

且應(yīng)滿足：F≤μ3Q

選取不同的α值進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，α和楔塊對(duì)光纜加強(qiáng)芯壓力Q的關(guān)系如圖4所示。Q隨著α的增大而減小，α過小時(shí)，加強(qiáng)芯所受的橫向擠壓力很大，可能會(huì)超過加強(qiáng)芯的橫向抗壓極限；α超過13.58°，在最大拉力時(shí)加強(qiáng)芯與鋁套管會(huì)相對(duì)滑動(dòng)。

圖4 α和Q的關(guān)系

光纜加強(qiáng)芯的橫向壓強(qiáng)P與α和滑動(dòng)楔塊的長(zhǎng)度L有關(guān)，光纜加強(qiáng)芯的橫向壓強(qiáng)P與α關(guān)系見圖5。在同樣的拉力作用下，增大角度α和增加滑動(dòng)楔塊的長(zhǎng)度L可減小光纜加強(qiáng)芯的橫向壓強(qiáng)P。

圖5中，豎虛線的右邊為滑動(dòng)區(qū)，水平虛線的上部區(qū)為破壞區(qū)，此區(qū)域內(nèi)光纜加強(qiáng)芯的橫向壓強(qiáng)P大于24.5 MPa，可能造成加強(qiáng)芯損壞。只有2條虛線交叉的左下區(qū)域?yàn)榭捎脜^(qū)域。

圖5 α和壓強(qiáng)P的關(guān)系

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以得出：

（1）在光纜加強(qiáng)芯的拉力作用下，滑動(dòng)楔塊會(huì)對(duì)光纜加強(qiáng)芯產(chǎn)生很大的橫向擠壓力。

（2）滑動(dòng)楔塊的長(zhǎng)度L和角度α是2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，過小的α?xí)辜訌?qiáng)芯受到很大的橫向擠壓力，增大α可減小擠壓力，α超過13.58°時(shí)因擠壓力過小而無法夾持加強(qiáng)芯；增加滑動(dòng)楔塊的長(zhǎng)度L可減小加強(qiáng)芯所受的橫向壓強(qiáng)。在拉力不變時(shí)，楔塊的長(zhǎng)度L與加強(qiáng)芯所受的橫向壓強(qiáng)Q成反比關(guān)系。

（3）長(zhǎng)度L=30 mm的夾具無法滿足Φ2.0 mm以下的光纜加強(qiáng)芯的錨固要求，因此在非金屬光纜光纜訂貨時(shí)，應(yīng)對(duì)加強(qiáng)芯提出最小直徑不小于2.2 mm的要求。

（4）受接頭盒尺寸的限制只能取L=30 mm時(shí)，楔塊的頂角α取10°～11°比較合適。

FRP材料除了外力引起的形變，還存在應(yīng)力松弛和徐變現(xiàn)象，會(huì)影響加強(qiáng)芯夾具的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。FRP加強(qiáng)芯在最大允許的剪切強(qiáng)度24.5 MPa作用下，依據(jù)FRP材料的剪切模量4.1 GPa，可計(jì)算出形變量為24.5×106/4.1×109=5.98×10-3，對(duì)于直徑2.6 mm的光纜加強(qiáng)芯，其形變量不足16 μm，因此在設(shè)計(jì)光纜加強(qiáng)芯夾具時(shí)，可以將加強(qiáng)芯作為剛體對(duì)待。應(yīng)力松弛和徐變現(xiàn)象可通過對(duì)楔塊施加預(yù)應(yīng)力和附加楔塊頂進(jìn)裝置解決。

3.3 FRP加強(qiáng)芯夾具的結(jié)構(gòu)與使用

FRP加強(qiáng)芯固定夾具包括夾具外套、滑動(dòng)楔塊、旋緊蓋、平墊、膜形彈圈。夾具外套為圓柱形，在中間開有1個(gè)楔形孔，滑動(dòng)楔塊裝于夾具外套的楔形孔內(nèi)，夾具外套尾端有外螺紋，旋緊蓋通過螺紋安裝在夾具外套上。FRP光纜加強(qiáng)芯穿入專用夾具內(nèi)2塊滑動(dòng)楔塊中間的圓形槽內(nèi)，滑動(dòng)楔塊在夾具外套的楔形孔內(nèi)向前滑動(dòng)壓緊光纜的加強(qiáng)芯。通過擰進(jìn)旋緊蓋對(duì)滑動(dòng)楔塊施加預(yù)應(yīng)力，夾緊光纜加強(qiáng)芯。旋緊蓋與滑動(dòng)楔塊之間墊有平墊和膜形彈墊，防止旋緊蓋和滑動(dòng)楔塊的松動(dòng)，也可防止非金屬光纜加強(qiáng)芯的應(yīng)力松弛和徐變現(xiàn)象。夾具外套外壁上有2個(gè)對(duì)稱的圓孔，用于專用工具的夾持。FRP加強(qiáng)芯夾具的結(jié)構(gòu)見圖6、圖7。

圖6 光纜加強(qiáng)芯夾具結(jié)構(gòu)

圖7 滑動(dòng)楔塊加工示意

FRP加強(qiáng)芯夾具利用楔塊原理，把滑動(dòng)楔塊頂進(jìn)套筒，在橫向壓力和摩擦力的作用下夾緊光纜加強(qiáng)芯。在滑動(dòng)楔塊與加強(qiáng)芯之間墊一層0.2～ 0.3 mm的鋁套管作為緩沖層，鋁套管的長(zhǎng)度應(yīng)超過滑動(dòng)楔塊的兩端。滑動(dòng)楔塊與夾具套筒的接觸面上涂潤(rùn)滑劑，以減小摩擦。

用于光纜接頭盒的光纜接續(xù)時(shí)，將FRP加強(qiáng)芯夾具安裝在接頭盒內(nèi)，代替原來的螺栓壓接裝置，如圖8所示，安裝時(shí)取下原來的壓接螺栓，在加強(qiáng)芯固定座的后面用夾具錨固加強(qiáng)芯即可。光纜端部在機(jī)架上的固定采用同樣的安裝方法。

圖8 加強(qiáng)芯夾具安裝示意

4 結(jié)論

非金屬光纜中心加強(qiáng)芯的材料特性要求非金屬光纜加強(qiáng)芯的錨固需要采用專用的夾具。非金屬光纜加強(qiáng)芯夾具對(duì)加強(qiáng)芯的剪切力小、夾持力大，能較好地解決非金屬光纜接續(xù)中加強(qiáng)芯開裂、滑脫的問題，可廣泛應(yīng)用于金屬光纜、非金屬光纜在各種場(chǎng)合（首尾端機(jī)柜、中間接頭盒、光纜交接箱等）的接續(xù)和端部固定，可顯著提高光纜運(yùn)行的可靠性。

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（本文編輯：趙曉明）

Discussion on the Anchoring Technique of Reinforced Core in Non-metal Optical Cable

XIE Minghai1，XIE Qichao2

（1.State Grid Shaoxing Power Supply Company，Shaoxing Zhejiang 312000，China；2.Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

According to the characteristics of the RFP material of the reinforced core of the non-metal optic cable，a new kind of wedge anchor clamp is designed.Through stress analysis of the new clamp，the relationship among many factors is obtained，including the wedge angle，length of the wedge block，shear strength of the reinforced core，diameter of the core，prestressing force，friction coefficient between materials，and the basic structure of the wedge anchor clamp for non-metal optical cable reinforced core is determined.The reinforced core clamp can be used for connection and termination fixation of metal cables and non-metal cables in various applications，which can improve operation reliability of optical cables.

non-metal optical cable；optical cable splice case；FRP reinforced core；anchoring

TM757

B

1007-1881（2016）10-0084-05

2016-05-19

謝明海（1967），男，高級(jí)工程師，從事變電工程、通信工程設(shè)計(jì)工作。