护套增强型束管“8”字光缆的研制

吴工图书馆 2022-12-11 发布于山东

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作者：李建宁李想梁庆欣朱显峰尹才香

单位：深圳市特发信息光网科技股份有限公司

摘要：本文主要介绍了护套增强型束管8字光缆的研制，包括该产品的护套工艺流程、高密度聚乙烯护套料的性能、对挤出机的要求、烘干工艺、温度控制、模具及工装设计。

关键词：椭圆度；光缆；模具设计

一、引言

近年来，随着4G的日趋成熟，5G牌照的发放，我国全面进入5G时代。5G具有高速率、大容量、低时延高可靠等优点，5G不仅仅拉动光纤需求，还推动着光纤光缆技术的更新提升，同时随着用户数量的激增，组网的密集度越来越高，为了进一步适配组网场景的实际需求，光缆结构呈现出了多样化。

本文从护套工艺流程、高密度护套料的性能、对挤出机的要求、烘干工艺、温度控制、模具及工装设计等几方面来介绍护套增强型束管式8字光缆的研制。

二、高密度护套料的性能

1、主要性能指标

高密度护套料的主要性能指标如表1所示。

表1 高密度护套料的主要性能指标

2、护套料的特性

（1）分子结构稳定性。HDPE是在低压下共聚而成，分子结构规整，链支化度低，刚性、韧性较好和抗张强度较大，模量大且耐磨性好，同时具有分子量分布窄，分子排列规整有序，良好的耐环境应力开裂性和较宽的温度使用范围等特点。

（2）良好的加工性能。高密度聚乙烯护套料相对于尼龙、低烟无卤阻燃护套料来说，其加工温度范围宽，溶体流动速率适中，是属于易加工的一类塑料材料。一般情况下，聚乙烯护套料在80℃条件下适当烘干处理即可获得较好的挤出表面效果，螺杆到机头的加工温度控制在160℃至240℃，目前的海外产品均要求高密度聚乙烯护套料。

（3）优异的物理机械性能。高密度聚乙烯具有良好的耐热性和耐寒性，化学稳定性好，还具有较高的刚性和韧性，机械强度好，同时耐酸碱，耐有机溶剂，电绝缘性优良，低温时，仍能保持一定的韧性。表面硬度，拉伸强度，刚性等机械强度都高于LDPE。

三、护套增强型束管8字缆护套工艺流程

护套增强型束管8字光缆护套工序典型的生产工艺流程如图1所示。

图1 护套增强型束管8字光缆护套工艺流程图

该流程是松套管外包覆纱线类加强件及阻水元件，棒状FRP嵌入护套做刚性增强原件，吊线钢绞线和套管平行放线进入机头后在其表面挤出保护层聚乙烯护套料，结构简图如图2所示。

图2 光缆截面示意图

这种工艺的优点是充油松套管外包覆阻水纱后光缆的阻水性能好，而且护套嵌入对称FRP后光缆的抗侧压和抗冲击性能均较好；缺点是纱线类元件较多，且需要增强型的FRP在不穿透护套层情况下保持对称，加之吊线钢绞线规格较大刚性强，光缆的圆整度、同心度及整体尺寸不易控制。这些缺点均可通过合理的工艺技术加以解决。

四、护套增强型束管8字缆的护套工艺

为了保证护套表面质量，需要在挤出过程中对外护套材料提出一些独特的工艺要求，以下对护套增强型束管8字光缆外护套生产工艺的要求作一些论述。

1、预烘干工艺

聚乙烯护套料相对于尼龙、低烟无卤阻燃护套料来说，其加工范围宽，溶体流动速率适中，是属于易加工的一类塑料材料。本身不具备吸水性，生产时不需烘干，但是有时候受制造厂家储存备料环境影响，为了确保较好的挤出表面效果，降低护套表面起泡、粗糙或横断面气孔，可在80℃条件下烘干1小时左右排除运输存储过程中的潮气。

2、主设备要求

该光缆的工艺难点就在于护套工序，护套工序除了各种放线和收线设备之外，主要的设备就是挤出机，它在热塑性塑料领域中是一种用途最广泛、比重很大的加工方法。螺杆是挤出机中最主要的部件之一，在加工聚乙烯光缆时使用普通渐进型单螺纹螺杆进行挤出加工即可，其螺杆直径65mm,长径比25：1，压缩比2.5：1，采用该类型的螺杆，不但可以得到理想的挤出表面，又不会限制护套线速度。

3、温度控制

聚乙烯护套料相对于尼龙、低烟无卤阻燃护套料来说，其加工温度范围宽，熔体流动速率适中，但温度太高会破坏护套料分子结构导致相应的物理和化学性能降低或者损失，温度太低又会导致塑化不均匀，致使机头反压较大，挤出困难。研制时自进料口至挤出模具的各区控制温度如表2（允许偏差：±５℃）。

表2 光缆挤出加工温度设定

挤出过程中应留意挤出螺杆电流、螺膛压力以及螺膛的温度是否稳定。若电流偏大，此时应及时停机并调温控区温度。正式生产前可手动拉料并冷却后检查排料塑化情况，表面是否光滑、横断截面是否存在气孔等现象，必要时需要继续烘干处理。

4、滤网要求

为了稳定挤出设备，获得较好的挤出效果，需要使用一层100目的滤网。使用滤网的主要作用有三点：（1）过滤掉微粒杂质、焦烧颗粒；（2）增大压力，使挤出流量均匀；（3）将从螺膛出来的螺旋状熔融料变为直线状熔体，便于挤出。

5、机头抽真空要求

该结构适用于室外自承式架空或者相关组件场景，护套的松紧度（即抽拔力）是产品机械性能之一，直接影响施工后的运维稳定性。为了保证护层与纱线缆芯之间成为密闭腔体且具有一定的紧密性，实际生产过程中需在模具口集纱模口处设置抽真空器，减少模腔内的负压，确保护层与纱线包覆的缆芯紧密贴合。

6、元件放线要求

该结构光缆缆芯组成元件较多，尤其是纱线类元件，所以放线的稳定性对于光缆的圆整度及成缆后的机械环境性能起着至关重要的作用。经过多次反复试验验证，增强类纱线、阻水类纱线、FRP棒及束管元件宜采用主动放线设备，不宜采用阻力较大的被动放线装置，撕裂绳宜采用被动放线装置，放线路由处于绷紧状态以保证纵向贯穿在护层底下，同时防止撕裂绳串线绞入增强及阻水类纱线中影响后期施工过程时的撕裂性能。

7、纱线分纱操作

纱线主要分为增强类纱线、阻水类纱线及辅助类纱线，合理的布局纱线路由既能保证缆芯包覆均匀，有利于光缆护套圆整度的提升，又为后期光缆的抗拉性能奠定良好基础。该结构光缆的纱线较多，增强类纱线与阻水类纱线需空间间隔分布，截面较大的纱线分布在内侧，其余纱线分布在外侧。纱线分布与其余元件走向分布截面示意图如图3所示。

图3 纱线分布示意图

8、设备摆放要求

合理的纱线布局取决于放线类设备的摆放要求，在空间有限的情况下，FRP棒类及束管类元件放线务必保证平行放置，尽量减少放线路由过程中的弯曲，纱线类放线按照分纱器分纱合理布局设备摆放。若设备已固定，尽量在分纱前，使用导向轮导向保证纱线平行进入模口。

9、模具设计

塑料挤出的关键工艺因素之一是挤出模具的设计，挤出模具的设计好坏直接关系到外护套表观质量。挤出模具常见有挤压式、半挤压式和挤管式。为了提升操作效率，减少同心度等调试环节人力浪费，我们设计了免调模具，即将模芯和模套在加工环节使其合成一体，生产时直接安装使用即可。一体式模具简图如图4所示。

图4 一体式模具简图

五、研制过程及改善

1、研制过程

通过工艺、材料及设备环节的准备，开始光缆的连续试制，但是效果都不理想，主要表现为嵌入在护层的加强件呈斜切面现象，吊线部分和光缆部分不在同一几何中心，俗称“歪脖”现象（见下图5所示），再则就是光缆部分尺寸不达标，截面呈扁平状。

图5 歪脖截面

通过调整模具、速度、材料替换措施，连续试制三次均未彻底解决，但截取不同试样截面却发现同一共性现象，即以操作人员面向水槽延至收线牵引方向为参考点，光缆部分均向靠近冷却水槽底面倾斜，吊线部分与光缆部分紧临冷却水槽水面一侧撕裂角度变小，最终导致“歪脖”现象，从而影响光缆的研制效果（见下图6所示）。

图6 水槽位置与歪脖示意

2、改善过程

为彻底解决“歪脖”这一共性现象，我们决定从挤出成型方式和增加辅助夹具两方面做改善工作，即将光缆的挤出成型方式由原先的“平铺”式变成“站立”式，再则就是在第一段冷却水槽靠近挤塑机约30CM处加装扶线装置。改变光缆挤出成型方式的目的主要有①削弱放线过程中因吊线钢绞线刚性远高于光缆主体而导致的两者之间的错位、扭动现象；②减少“平铺”式挤出方式光缆成型前因吊线和光缆主体自重差异引起的错位变形现象。

通过改进光缆的成型方式及加装扶线装置，我们再次进行了光缆试制，试制后对不同线速度下的试样进行了测量（相同生产线），“歪脖”现象在肉眼可视情况下明显消失，产品的外观尺寸也有了较大改善。测量数据及结果详情见表3。注：以上数据均由同一测量人员使用同一测量工具量取。

3、改善用扶线装置简介

扶线装置主要由压轮活动摆杆和底座组成，底座由可调紧固螺丝紧固安装在第一节冷却水槽处，活动摆杆和底座连接，光缆则从中间双半圆处经过，在光缆线经过的过程中，活动摆杆会随着光缆线的轻微跳动而跳动，防止机头处未冷却的护套料因路由过长抖动发生扭动变形，从而实现“扶正”作用。扶线装置简图如图7、8所示。