煤礦通信柜內(nèi)單芯軟光纜收縮率研究

張貴生，朱艷娜，張 明

（1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2.安徽理工大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，安徽 淮南 232001）

煤礦通信柜是井下光通信系統(tǒng)的重要樞紐，是主干光纜與分支光纜互連、光信號(hào)傳輸?shù)臉蛄篬1]，單芯軟光纜(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“軟光纜”)是煤礦通信柜內(nèi)光連接器件常用的光信號(hào)中繼線[2]，其兩端卡接有連接器[3]。煤礦現(xiàn)有軟光纜在長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)連接器易脫滑、護(hù)套形變、壽命短等問(wèn)題[4]，在一定程度上增加了光傳輸誤碼率，嚴(yán)重影響光通信質(zhì)量。收縮率是軟光纜及其連接器穩(wěn)定性的主要影響因子[5-6]，因此，研究軟光纜收縮率對(duì)解決煤礦通信柜內(nèi)軟光纜連接器的穩(wěn)定性具有重要意義。

軟光纜結(jié)構(gòu)從內(nèi)至外依次為涂覆光纖、緊套層、加強(qiáng)構(gòu)件和護(hù)套[7]，其中涂覆光纖一般采用單模光纖[8]，與緊套層合稱(chēng)為緊包光纖，加強(qiáng)構(gòu)件通常采用扎紗或芳綸，護(hù)套由PVC 材料擠塑而成[9-10]。PVC 顆粒經(jīng)擠塑后形成護(hù)套，再經(jīng)降溫、牽引、收線等工藝后[11]，緊密排列在收線盤(pán)上。由于護(hù)套本身較為柔軟且具有伸縮性，待軟光纜從收線盤(pán)上釋放出來(lái)后，會(huì)產(chǎn)生收縮效應(yīng)[12-13]，主要包括瞬間收縮和慢性收縮2 種現(xiàn)象。瞬間收縮效應(yīng)，輕則浪費(fèi)緊包光纖，影響壁厚、米距等參數(shù)，重則緊包光纖受力[14]，增加光信號(hào)傳輸損耗；慢性收縮效應(yīng)會(huì)影響軟光纜連接器的牢固性，長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)生脫滑現(xiàn)象[15]，嚴(yán)重影響軟光纜連接器的使用壽命。因此，從軟光纜加工制造設(shè)備、工藝參數(shù)切入，才能從根本上解決收縮率問(wèn)題。

1 軟光纜收縮率實(shí)驗(yàn)方法

常用軟光纜包括2 種規(guī)格：Φ2.0 和Φ3.0。根據(jù)客戶(hù)要求，Φ2.0 外徑范圍為1.75～2.05 mm，壁厚范圍為0.25～0.31 mm，牽引拉伸概率較大；Φ3.0外徑范圍為2.85～3.05 mm，壁厚范圍為0.35～0.50 mm，牽引拉伸概率較小。為了更加符合軟光纜實(shí)際使用環(huán)境，特此采用模擬實(shí)驗(yàn)法于常溫和高溫2個(gè)狀態(tài)下測(cè)量收縮率。

(1)常溫收縮率(η)實(shí)驗(yàn)方法是：根據(jù)要求選取n盤(pán)實(shí)驗(yàn)纜，依次去邊后截取2 m，平放在測(cè)量臺(tái)上，從中間再次截取1 m，截取方法是用2 只專(zhuān)用刀片在1 m 軟光纜兩端同時(shí)瞬間切割；依此法分盤(pán)截取n根樣本，貼上標(biāo)簽加以區(qū)別實(shí)驗(yàn)量、生產(chǎn)線和軟光纜規(guī)格等；最后，在室溫下靜放實(shí)驗(yàn)臺(tái)24 h后重新測(cè)量，差值即為單根實(shí)驗(yàn)纜的η。η實(shí)驗(yàn)用于檢驗(yàn)軟光纜的瞬間收縮效應(yīng)，通常要求ηΦ2.0＜10%、ηΦ3.0＜5%為合格。

(2)高溫收縮率(δ)實(shí)驗(yàn)方法是：根據(jù)要求選取n盤(pán)實(shí)驗(yàn)纜，依次去邊后截取1 m；緩慢抽出內(nèi)部緊包光纖和加強(qiáng)構(gòu)件，將剩余護(hù)套平放在測(cè)量臺(tái)上；從中間再次截取0.5 m，截取方法是用2 只專(zhuān)用刀片在0.5 m 護(hù)套兩端同時(shí)瞬間切割；依此法分盤(pán)截取n根樣本，貼上標(biāo)簽加以區(qū)別實(shí)驗(yàn)量、生產(chǎn)線和軟光纜規(guī)格等；最后，將樣本平放在115 ℃熱烘箱內(nèi)4 h 后重新測(cè)量，兩倍差值即為單根軟光纜的高溫收縮率。據(jù)阿倫尼烏斯公式推算可知，軟光纜在115 ℃條件下熱烘4 h 相當(dāng)于25 ℃下靜置20年，高溫收縮率實(shí)驗(yàn)用于檢驗(yàn)軟光纜的慢性收縮效應(yīng)，通常要求δΦ2.0＜10%、δΦ3.0＜5%為合格。

2 軟光纜收縮率實(shí)驗(yàn)分析

軟光纜收縮率致因包括生產(chǎn)拉伸和收線回縮2部分，其中，生產(chǎn)拉伸影響因子主要包括放線張力、擠塑溫度、水溫等工藝參數(shù)，收線回縮影響因子主要包括收線張力、收線回縮距離等工藝參數(shù)。為獲取更加真實(shí)、全面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，現(xiàn)對(duì)以上影響因子逐一實(shí)驗(yàn)并綜合分析。

2.1 生產(chǎn)拉伸影響因子與收縮率實(shí)驗(yàn)

(1)放線張力(F)與收縮率實(shí)驗(yàn)：目前，國(guó)內(nèi)軟光纜制造的放線設(shè)備以電機(jī)控制主動(dòng)放線為主，以杠桿配重方式調(diào)節(jié)F。F會(huì)影響軟光纜外徑、黏紗、護(hù)套形變等問(wèn)題，進(jìn)而影響收縮率。由于F工藝值會(huì)隨設(shè)備改變而改變，因此，以本實(shí)驗(yàn)設(shè)備為例，選擇緊包光纖張力(f1)和扎紗張力(f2)為實(shí)驗(yàn)變量，規(guī)格Φ2.0 和Φ3.0 各選取10 盤(pán)實(shí)驗(yàn)纜，其余影響因子按工藝參數(shù)設(shè)定不變，分別進(jìn)行常溫收縮和高溫收縮實(shí)驗(yàn)。

設(shè)備安裝調(diào)試結(jié)果表明，當(dāng)f1＜4.2 N、f2＜0.7 N時(shí)，放線架平行桿擺動(dòng)幅度較大，放線不穩(wěn)定，且軟光纜易出現(xiàn)黏紗和黏緊包光纖問(wèn)題；當(dāng)f1＞6 N、f2＞0.88 N 時(shí)，光纖易受力，光傳輸損耗變大，因此，f1和f2的實(shí)驗(yàn)范圍分別設(shè)定為4.2～6.0 N、0.7～0.88 N。規(guī)格Φ2.0 和Φ3.0 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)折線圖分別如圖1、圖2 所示。

分析圖1 和圖2 可知，規(guī)格Φ2.0 和Φ3.0 在f1∈[4.6～5.4]N、f2∈[0.74～0.84]N 時(shí)，常溫和高溫收縮率皆合格，且f1=5 N、f2=0.8 N 為適合本設(shè)備的最佳放線張力值。

(2)擠塑溫度(T)與收縮率實(shí)驗(yàn)：T是軟光纜收縮率的最主要影響因子，包括機(jī)身溫度(t1、t2、t3、t4)和機(jī)頭溫度(t5、t6)。T與生產(chǎn)設(shè)備達(dá)不到最佳匹配時(shí)，PVC 護(hù)套料無(wú)法塑化成正常的半流體狀，擠出的護(hù)套不成型或有限水槽內(nèi)無(wú)法完全冷卻，導(dǎo)致?tīng)恳髩罕馇依炝窟^(guò)大，此外，還易出現(xiàn)機(jī)頭膠料、擦機(jī)困難、護(hù)套不光滑、壁內(nèi)氣泡、黏紗等問(wèn)題，T值直接影響軟光纜護(hù)套的光滑圓整度、拉伸量等參數(shù)，對(duì)軟光纜收縮率具有決定性作用。由于T值會(huì)隨擠塑設(shè)備和護(hù)套料的不同而產(chǎn)生變化，因此，以本實(shí)驗(yàn)擠塑設(shè)備和PVC 護(hù)套料為例，選擇T值為實(shí)驗(yàn)變量，其余影響因子按工藝參數(shù)設(shè)定不變。

本PVC 護(hù)套料特性為：140～160 ℃開(kāi)始融化、160～170 ℃呈半流體狀。據(jù)安裝調(diào)試實(shí)驗(yàn)可知，t1、t2以融化PVC 護(hù)套料為目的，設(shè)定不變；t5位于機(jī)頭脖頸處，高溫下易產(chǎn)生膠料，溫度不宜超過(guò)165 ℃，且t2～t6之間的相鄰溫差為5 ℃最宜。因此，為了更加準(zhǔn)確地探索T與收縮率關(guān)系，特設(shè)定表1所示實(shí)驗(yàn)溫度。

表1 Φ2.0、Φ3.0 實(shí)驗(yàn)溫度表 ℃

為保證PVC 護(hù)套料具有較好的半流體狀擠塑效果，在產(chǎn)品合格前提下探尋T與收縮率關(guān)系，Φ3.0規(guī)格采用表1 中T7～T10為實(shí)驗(yàn)量，Φ2.0 規(guī)格采用T1～T10為實(shí)驗(yàn)量。按照上述實(shí)驗(yàn)方法分別進(jìn)行常溫和高溫收縮實(shí)驗(yàn)，繪制成如圖3 所示折線圖，以便獲取最合適的擠塑溫度(T)。

由圖3 分析可知，規(guī)格Φ2.0 在T1～T4實(shí)驗(yàn)溫度下，常溫和高溫收縮率合格，且T1為適合本設(shè)備的最佳實(shí)驗(yàn)溫度。這是因?yàn)镻VC 護(hù)套料經(jīng)t1(140 ℃)、t2(160 ℃)融化后，在t3(165 ℃)環(huán)境下變成流度較大的半流體狀，再經(jīng)t4、t5、t6(160 ℃)后，半流體流度減弱，擠出的較薄護(hù)套可在兩級(jí)水槽內(nèi)完全冷卻凝固，護(hù)套光滑圓整的同時(shí)牽引拉伸量最小，從而收縮率最低。

規(guī)格Φ3.0 在T7～T9實(shí)驗(yàn)溫度下，常溫和高溫收縮率合格，且T7為適合本設(shè)備的最佳實(shí)驗(yàn)溫度。這是因?yàn)棣?.0 壁厚較厚，單位時(shí)間內(nèi)擠塑量較大，過(guò)高的溫度會(huì)將PVC 護(hù)套料融化成流度較高的半流體狀，且在t5、t6內(nèi)無(wú)法將所有PVC 護(hù)套料的流度減弱，從而造成擠出的護(hù)套稀松、溫度較高，水槽無(wú)法及時(shí)將其冷卻凝固，致使?fàn)恳炝孔兇蟆Ｒ虼?，T7才是Φ3.0 最合適的擠塑溫度，這是因?yàn)閠3、t4須達(dá)到165℃才能恰好將PVC 護(hù)套料全部融化成流度適中的半流體狀，t6(165℃)將其保持在半流體狀擠出，并在兩級(jí)水槽內(nèi)完全冷卻凝固，實(shí)現(xiàn)最低收縮率。

(3)水槽、水溫與收縮率分析：軟光纜常用水槽包括單層兩級(jí)和雙層兩級(jí)2 種，其中，兩級(jí)為熱水槽和冷水槽，單層兩級(jí)水槽占地面積大、長(zhǎng)度長(zhǎng)，但軟光纜直線運(yùn)行，無(wú)拐角和導(dǎo)輪，機(jī)械摩擦和護(hù)套拉伸度較?。浑p層兩級(jí)水槽占地面積小、長(zhǎng)度短，但有拐角和導(dǎo)輪，易產(chǎn)生機(jī)械摩擦，增加護(hù)套拉伸度，綜合考慮，本實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用單層兩級(jí)水槽結(jié)構(gòu)。熱水槽負(fù)責(zé)將軟光纜護(hù)套初步降溫凝固，工藝溫度為70±5 ℃，由制冷機(jī)自動(dòng)控溫；冷水槽負(fù)責(zé)將護(hù)套最終冷卻成型，工藝溫度為25±5 ℃，由制冷機(jī)自動(dòng)控溫。本實(shí)驗(yàn)水溫按工藝參數(shù)設(shè)置即可。

2.2 收線回縮影響因子與收縮率實(shí)驗(yàn)

(1)收線張力(G)與收縮率實(shí)驗(yàn)：軟光纜進(jìn)入收線盤(pán)之前的在線張力稱(chēng)為收線張力。理論上，收線張力越小，護(hù)套回縮量越大，收縮率越好，但考慮收線盤(pán)排線問(wèn)題，過(guò)小的收線張力會(huì)出現(xiàn)排線松散、壓線、排線錯(cuò)亂等問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致測(cè)試臺(tái)階、護(hù)套變形，因此，合適的收線張力對(duì)軟光纜生產(chǎn)及其收縮率至關(guān)重要。為獲取排線整潔下的最小收線張力，現(xiàn)進(jìn)行G與收縮率實(shí)驗(yàn)，以雙盤(pán)切換為收線設(shè)備，舞蹈器為收線張力調(diào)節(jié)器，G為實(shí)驗(yàn)變量，按照上述實(shí)驗(yàn)方法分別進(jìn)行常溫和高溫收縮實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 G 與收縮率實(shí)驗(yàn)表

由表2 分析可知：規(guī)格Φ2.0 在G∈[0.050～0.070]N 內(nèi)，η遞增且皆合格，在0.050 N 時(shí)最低；δ在此區(qū)間內(nèi)合格且變化不大，這是因?yàn)棣闹饕?yàn)證軟光纜的慢性收縮效應(yīng)，在軟光纜護(hù)套未被破壞的前提下，115 ℃環(huán)境內(nèi)熱烘4 h 會(huì)使護(hù)套徹底收縮。綜合考慮，G=0.050 N 為規(guī)格Φ2.0 下本設(shè)備的最佳收線張力。

規(guī)格Φ3.0 在0.045 N 時(shí)η最低；在G∈[0.045～0.065]N 內(nèi)，η上升緩慢，δ變化不大，這是因?yàn)橐?guī)格Φ3.0 的壁厚較厚，此區(qū)間G值對(duì)軟光纜回縮量影響不大，而η和δ分別用于驗(yàn)證瞬間收縮效應(yīng)和慢性收縮效應(yīng)，因此，η上升緩慢，δ變化不大；當(dāng)G＞0.065 N 時(shí)，η和δ皆快速攀升至不合格，原因是此區(qū)間G值對(duì)回縮量的影響愈發(fā)嚴(yán)重。綜合考慮，G=0.045 N 為規(guī)格Φ3.0 下本設(shè)備的最佳收線張力。

(2)收線回縮距離(L)與收縮率分析：牽引過(guò)后至收線盤(pán)之間的軟光纜走線距離稱(chēng)為收線回縮距離。理論上，G越小，L越長(zhǎng)，護(hù)套回縮量越大，收縮率越好，但考慮軟光纜走線穩(wěn)定性和占地空間問(wèn)題，L可根據(jù)生產(chǎn)線實(shí)際情況合理調(diào)整。

軟光纜收線設(shè)備通常采用集線器或雙盤(pán)切換，其中，集線器方式下L較長(zhǎng)，但由于集線器本身由多個(gè)凹槽輪組成，凹槽輪上軸承的旋轉(zhuǎn)摩擦力會(huì)阻礙軟光纜前進(jìn)，致使每只凹槽輪上軟光纜張力不同，從而影響回縮量，因此，集線器必須采用絲滑度較高的軸承，才能提高回縮量，降低收縮率；雙盤(pán)切換方式下，通常采用舞蹈器作為收線張力調(diào)節(jié)器，同時(shí)也可延長(zhǎng)L，所需凹槽輪軸承也必須具備較高的絲滑度，才可提高回縮量，降低收縮率。

此外，主機(jī)控制系統(tǒng)會(huì)影響升降速和勻速階段下纜身外徑的穩(wěn)定性。通常勻速生產(chǎn)速度為80 m/min，較好的主控制系統(tǒng)可提升至120 m/min，并能夠使纜身外徑偏差不高于0.05 mm，纜身外徑越穩(wěn)定，熱收縮率越均衡。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)煤礦現(xiàn)有通信柜內(nèi)軟光纜連接器的實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)了軟光纜易出現(xiàn)脫滑、護(hù)套形變、壽命短等問(wèn)題，依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)推理出收縮率為主要影響因子，并制定了軟光纜常溫收縮和高溫收縮實(shí)驗(yàn)方法，總結(jié)出生產(chǎn)拉伸和收線回縮致因，進(jìn)行了放線張力(F)、擠塑溫度(T)、收線張力(G)3 個(gè)變量與收縮率的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和理論分析，詳細(xì)解析了收線回縮距離(L)、水槽、水溫和主機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)收縮率的影響，最終獲取適合本設(shè)備的最佳工藝參數(shù)，以最大程度地克制瞬間收縮效應(yīng)和慢性收縮效應(yīng)，解決實(shí)際問(wèn)題，提高煤礦通信柜內(nèi)軟光纜連接器的穩(wěn)定性和使用壽命。