Механические характеристики

Одним из основных свойств ОВ является его прочность. Однако, в процессе изготовления на поверхности волокна появляются мик­роскопические изъяны, которые заметно ухудшают базовую прочность. Бла­годаря процессу производства кабеля и укладке волокна в кабель, происхо­дит дальнейшее ухудшение прочности волокна. Ухудшение прочности и обрыв волокна в результате роста изъянов (трещин) на поверхности можно объяс­нить тремя причинами: динамической усталостью, статической усталостью и старением в отсутствие нагрузки. Многие монтажники ВОК работали рань­ше на монтаже медных кабелей, которые имеют совершенно отличные ме­ханические характеристики. Динамическая усталость возникает при крат­ковременном приложении значительных растягивающих усилий. Это соответствует типичному сценарию, когда ВОК затягивается на место через кабелепровод или протягивается вдоль направляющих труб/лотков. Стати­ческая усталость, наоборот, приобретается тогда, когда кабель длительное время находится под постоянной нагрузкой. Старение в отсутствие нагруз­ки относится к такому типу ухудшения прочности, который происходит в условиях отсутствия нагрузки на кабель, но под действием высокой окружа­ющей температуры и влажности.

Задача, выполняемая волоконно-оптическими (или оптическими) модуля­ми, — организовать жилы волокна так, чтобы упростить их идентификацию и обработку, а также в том, чтобы структура такой организации сохранялась не только тогда, когда жилы волокна находятся в собранном ВОК, но и тогда, когда с кабеля снята наружная оболочка. Волоконно-оптический мо­дуль, может быть оформлен в виде пучка волокон, ленты с волокнами или свободной трубки.

Волоконно-оптический модуль, как правило, объединяет 6-12 волокон сво­бодно собранных вместе с помощью спиральной обвязки. Эта обвязка дол­жна быть сделана так, чтобы она сохраняла свое положение в ВОК и облег­чала идентификацию оптических модулей, когда оболочка ВОК снята.

Один из методов организации жил волокна — формирование ленточной структуры. Такие волоконно-оптические ленты позволяют упаковывать в кабель до нескольких тысяч волокон. Однако, как правило, такие ленты содержат 4, 6, 8, 12 или 24 волокна, расположенных в виде линейного мас­сива жил, образующего модуль.

Ленты с волокном собираются в матрицу для облегчения идентификации волокон, а также для придания прочности и улучшения защитных свойств. Материал таких матриц оптимизируется для улучшения надежности и рабочих характеристик. Этот материал должен быть совместим с внешним покрытием матриц, когда монтажники используют инструменты с тепловым методом за­чистки волокна при удалении покрытия с волокна, и формирующем матрицу материалом, при сращивании, оконцовке или осуществлении других монтажных действий. Формирующий матрицу материал должен быть прозрачен настолько, чтобы можно было идентифицировать отдельную жилу волокна. Волокна могут быть помещены также внутрь трубки, чтобы изолировать от внешних механических напряжений. В трубку, как правило, помещают 6 или 12 волокон. Трубка должна также обеспечить легкость идентификации модулей в случае удаления внешней оболочки ВОК.

Теоретическая и реальная прочность оптического волокна на разрыв. Для кварцевых ОВ принято рассматривать теоре­тическую и реальную прочность на разрыв. Теоретическая прочность составляет около 20 ГПа. Однако реальная прочность кварцевых волокон в несколько раз меньше теоретической, для лучших образ­цов кварцевых волокон она не превышает 5 ГПа. Прочность реально изготовленного волокна снижается из-за наличия поверхностных объемных дефектов в заготовках и готовом волокне, а также из-за воздействия внутренних напряжений, возникающих в волокне в про­цессе вытяжки из заготовок. Неоднородности материалов в стекле или дефекты поверхности стекла создают механически ослабленные места вдоль ОВ. О механической прочности ОВ можно говорить лишь с определенной степенью ве­роятности, поскольку местоположения нерегулярностей и их величи­ны имеют случайный характер.

При воздействии на волокно растягивающих усилий наибольшие напряжения возникают вокруг концов трещин. Природная хрупкость стекла увеличивает напряжение на конце трещины и способствует разрушению волокна, в противоположность металлам, тягучесть ко­торых позволяет расплываться и выравнивать местные перенапряжения. Качественно этот процесс аналогичен разрыву листа бумаги. Бумагу трудно разорвать путем растягивания, но если она имеет не­большие разрезы (трещины), то легко рвется. Также происходит и с волокнами и они разрушаются в месте наибольшей трещины.

Снижение механической прочности волокна также происходит из-за процессов химической коррозии при воздействии влаги, поэтому разрушение волокна в области локальной неоднородности является процессом, зависящим от времени. Между глубиной трещины и на­пряжением, при котором разрушается волокно, имеется однозначная связь, причем величина напряжения при разрушении волокна зави­сит от формы трещины.

Поверхностные трещины возникают от множества причин, некото­рые из которых присущи собственно стеклу, а другие связаны с процессами изготовления заготовки волокна, вытягивания волокна из заготовки, нанесения первичного покрытия. Глубина и число трещин на единицу длины ОВ произвольно распределены вдоль длины волокна.

Волокно разрушается в месте нахождения самой глубокой трещи­ны (слабейшее звено в цепи) и так как в длинных волокнах наличие такой глубокой трещины более вероятно, чем в коротких волокнах, то прочность волокна зависит от его длины. Короткие соединитель­ные волокна длиной несколько десятков сантиметров содержат боль­шие трещины с меньшей вероятностью и поэтому имеют большие силы разрушения, находящие в диапазоне от 4,5 до 5,9 ГПа. В про­тивоположность этому волокно длиной несколько км, используемое для приготовления кабелей связи, может содержать одну большую трещину, которая сильно уменьшает прочность. Единственная воз­можность быть уверенным, что длинное волокно не содержит трещи­ны большей по величине, чем допустимая, — это испытать на проч­ность полностью всю длину, чтобы знать нижнюю границу прочности.

Испытание ОВ на прочность и расчет вероятности разрушения волокна. Проверка волокна на прочность и его отбраковка осуществляются путем перемотки волокна через систему роликов с заданной величи­ной натяжения, которая устанавливается исходя из расчетного срока службы кабеля.

Международный союз электросвязи рекомендует испытывать ОВ на механическую прочность при следующих условиях:

— напряжение растяжением не менее 0,35 ГПа (что приблизитель­но соответствует деформации ~ 0,5%);

— номинальная длительность испытания составляет 1 с.

В пределах определенного диапазона нагрузки натяжение растяже­ния и относительное удлинение волокна связаны между собой моду­лем Юнга. Поэтому некоторые фирмы условия испытания волокна на прочность указывают не в единицах напряжения растяжения, а в про­центах относительного удлинения. В этом случае желательно знать точ­ное значение модуля Юнга для данного волокна, в противном случае, можно говорить об ориентировочном значении напряжения, так как значение модуля Юнга для различных волокон изменяется в пределах от 70 до 90 ГПа.

Ведущие производители ОВ испытывают его напря­жением растяжения 0, 7 ГПа для наземных кабелей и 1 ,4 ГПа для подвод­ных кабелей при длительности испытаний равной 1 с.

Для расчета вероятности разрушения ОВ, выдер­жавших испытания на прочность, должна использоваться методика, учитывающая множество дефектов, которыми могут обладать волок­на. Множество случайных трещин различной глубины, распределен­ных по всей длине волокна обуславливают необходимость примене­ния статистических методов расчета.

В настоящее время расчеты напряжений при разрыве ОВ выполняются с использованием экспериментально получен­ных параметров распределения Вейбулла, которые позволяют рассчитать прочность системы, зависящей от слабейшего звена этой системы. В слу­чае ОВ это отражает вероятность их разрушения из-за преобладающей или самой глубокой тре­щины.

Распределение Вейбулла для испы­туемой партии ОВ по­лучают экспериментально, измеряя на­пряжение (относительное удлинение) при разрыве большого числа отрезков волокна длиной от 10 до 20 м. По дан­ным измерений строят интегральную кривую вероятности разрыва волокон от величины напряжения при разрыве. При напряжениях меньших величины a_t волокно не разрушается. Минимальное напряжение, при котором проис­ходит разрыв, равно σ – σ₁; среднее напряжение разрыва, при котором происходит разрушение половины волокон (Р = 0,5) равно σ = σ₃, раз­рушение всех волокон (Р = 1) происходит при максимальном напряже­нии разрыва равном σ = σ₄. Чем больше численное значение напряже­ний при разрыве σ₁, σ₃, σ₄, тем большей механической прочностью обладает волокно.

Срок службы ОВ. Если волокно выдержало испытание на прочность при определен­ном значении напряжения, то это не означает, что оно может проти­востоять ему повторно или выдерживать меньшие значения неограни­ченно долго. Воздействие на волокно постоянно приложенной рас­тягивающей силы более низкого значения, чем при его испытаниях на прочность, также приводит через определенный промежуток времени к разрушению волокна вследствие процесса статической коррозии. Под статической коррозией понимается процесс уменьшения прочно­сти волокна (увеличение размеров трещин) во времени при воздей­ствии на волокно напряжения, влаги, высокой температуры, щелочи или аммиака. Способность волокон противостоять воздействию опти­ческой коррозии оценивается коэффициентом устойчивости ОВ к статической коррозии, его численное значение опре­деляется путем измерений и чем оно больше, тем лучше. Конкретное значение определяется, главным образом, материалом волокна и его первичного покрытия, приложенных усилий, влажности и температу­ры. При увеличении температуры и влажности коэффициент устойчи­вости уменьшается. Это объясняется тем, что коррозия возникает, когда под действием воды разрушаются молекулярные связи крем­ния и кислорода, повышение же температуры и влажности ускоряет реакцию разрыва связей.

Производители ОВ указывают численное значе­ние коэффициента устойчивости ОВ к статической коррозии (п) в спецификациях на волокно. Для обычных волокон значение коэффициента равно п 20, а для волокон, имеющих тон­кий слой титана в отражающей оболочке для повышения механичес­кой прочности и надежности п 25.

Статическая коррозия ограничивает допустимое итоговое оста­точное напряжение, которое может выдержать волокно в течение срока службы или другими словами — определяет срок службы волокна, при известном остаточном напряжении, внутри кабеля. Ста­тическая коррозия также ограничивает минимальный радиус изгиба волокна в муфте.

Так как после прохождения испытаний волокна на прочность га­рантирован определенный наибольший размер трещины, то может быть рассчитан его минимальный срок службы. Для выполнения расчетов должны быть известны следующие три величины:

— напряжение растяжения (относительное удлинение) при завод­ских испытаниях волокна на прочность;

— напряжение растяжения, приложенное к волокну в процессе срока службы;

— коэффициент устойчивости оптических волокон к статической коррозии.

Чем при большей величине силы растяжения (относительного удлинения) выполнено испытание волокна на прочность, тем больше срок службы ОВ в кабеле при прочих равных условиях.

Чем большая итоговая сила растяжения приложена к волокну в процессе эксплуатации кабеля, тем меньше срок службы кабеля. Ито­говое напряжение растяжения зависит от остаточной деформации волокна. Причиной остаточной деформации волокна может быть ра­стяжение, скручивание и изгибание, которые возникают при изготов­лении, прокладке и эксплуатации кабеля. Остаточная деформация во­локна сокращает срок его службы вследствие ускоренного роста трещин из-за присутствия загрязняющих веществ в окружающей сре­де. Кроме того, остаточная деформация снижает допустимый уровень динамической деформации, которую может выдержать волокно до его разрыва. Наименьшие итоговые остаточные напряжения растяже­ния в зависимости от способа прокладки оптического кабеля имеют место при прокладке кабеля в трубопроводах методом вдувания, а наибольшие напряжения растяжения в процессе эксплуатации может испытывать самонесущий подвесной кабель при воздействии гололедной и ветровой нагрузки, а также в случае ослабления по той или иной причине упрочняющих элементов при прокладке или эксплуа­тации.

Динамическая деформация волокна также уменьшает срок службы волокна. Она может возникать при ударах и толчках во время прокладки, а также в течение срока эксплуатации самонесущих кабелей. Динамическая деформация возникает при самопроизвольной виб­рации самонесущего кабеля, а также при воздушных вводах кабеля за счет падения гололеда с выше расположенных проводов и падения глыб льда с крыш. Для защиты ОК на вводах необходимо предусмотреть подвеску металлического троса выше ОКС. Динамическая деформация, наряду со статической деформацией, вызывает ускоренный рост трещин, а при превышении определенного значения может произойти разрыв ОВ. Поэтому в процессе прокладки, монтажа и эксплуатации ОК его нельзя подвергать воздействию ударных нагрузок.

Контрольные вопросы:

1. Какие существуют типы одмодоводых волокон?

2. Опишите характеристики G.652 стандартного одномодового ОВ (SM).

3. Опишите характеристики G.653 одномодового ОВ со смещенной дисперсией (DSF).

4. Опишите характеристики G.654 одномодового ОВ со смещенной длиной волны отсечки.

5. Опишите характеристики G.655 одномодового ОВ с ненулевой смещенной дисперсией.

6. Опишите характеристики G.656 Одномодового ОВ с ненулевой дисперсией для широкополосной передачи данных.

7. Опишите характеристики G.657 одномодового ОВ с уменьшенными потерями на малых радиусах изгиба.

8. Перечислите передаточные характеристики ОВ.

9. В чем состоит смысл понятия затухания и коэффициента затухания ОВ?

10. От чего зависит пропускная способность ОВ?

11. Через какие характеристики оцениваются дисперсионные свойства многомодовых и одномодовых ОВ?

12. Каковы причины возникновения модовых искажений и хромати­ческой дисперсии?

13. Опишите коэффициент (показатель) преломления сердцевины и оболочки.

14. Опишите оптический параметр разность показателей преломления.

15. Опишите оптический параметр относительная разность показателей преломления.

16. Опишите групповой показатель преломления, эффективный групповой показатель преломления.

17. Опишите профиль показателя преломления.

18. Опишите оптический параметр - диаметр модового поля (для ООВ).

19. Опишите числовую апертуру, длину волны среза (для ООВ).

20. Что относят к механическим характеристикам ОВ?

21. Что относят к геометрическим параметрам ОВ?

22. Перечислите геометрические характеристики ОВ и поясните значимость нормирования их допусков.

23. Какие характеристики ОВ обуславливают их срок службы?

24. Поясните физические процессы разрушения волокон в процессе эксплуатации ОКС.

25. Что означает теоретическая и реальная прочность ОВ на разрыв?

Литература

1. Виноградов В.В., Котов В.К., Нуприк В.Н. Волоконно-оптические линии связи. М: ИПК Желдориздат, 2002, 278с.

2. Липская М.А. Волоконно-оптические линии связи. Алматы, КазАТК, 2007, 157с.

3. Липская М.А. Волоконно-оптические линии связи. Алматы, КазАТК, 2010, 173с.