Содержание к диссертации
Введение
Методы обеспечения эффективной работы волоконно-оптических систем при воздействии механических нагрузок П
1.1 Прочность и надежность оптических волокон 12
1 .2 Особенности конструирования ОК с точки зрения стойкости к воздействию механических нагрузок 15
1.3 Прокладка ОК и способы снижения механических нагрузок на кабель за счет совершенствования методов и устройств прокладки и монтажа 18
1.4 Разработка волоконно -оптических систем для управления движущимися объектами 20
1.5 Выводы. Постановка задачи 22
Расчет угла поворота кабеля вотсруг продольной оси .при действии растягивающего усилия, гидростатического давления и крутящего момента 24
2.1 Расчет угла поворота слоя (повива) спиральных элементов, расположенных вокруг упругого сердечника 24
2.2 Собственная угловая спиральная жесткость 31
2.3 Расчет угла поворота (закручивания) кабеля произвольной конструкции вокруг его продольной оси 39
2.4 Расчет конструкции с двумя: слоями спиральных элементов 44
2.5 Основные результаты и выводы 50
Критерии эффективности волоконно-оптических систем с точки зрения стойкости к воздействию механических нагрузок 53
3.1 Общие критерии 53
3.1.1 Жесткость кабеля при растяжении (безразмерная) 53
3.1.2 Относительный запас єе (избыток) оптического волокна в кабеле 56
3.2. Частные критерии бз
3.2 .2 Коэффициент уравновешенности при кручении ?5
3,3 Основные результаты и выводы 79
Определение механических характеристик материалов, используемых в волокошїо-оптических системах 81
4.1 Анализ физических свойств конструктивных элементов ВОС 81
4.2 Методика и средства испытаний трансверсально-изотропных элементов ОК на воздействие растягивающего усилия, гидростатического давления и крутящего момента 90
4.2.1 Определение модуля упругости Е^ при гидростатическом сжатии в радиальном направлении 91
4.2.2 Определение модуля упругости при изгибе в поперечной плоскости (для трубок) 95
4.2.3 Определение модуля сдвига Gu в поперечной плоскости 97
4.2.4 Определение продольной деформации s и угла закручивания ср элементов и образцов ОК при воздействии растягивающего усилия, гидростатического давления и крутящего момента 100
4.3 Результаты экспериментального исследования механических характеристик некоторых материалов, применяемых в конструкциях компонентов ВОС 101
Разработка конструкции и технологии создания специальной катушки для волоконно-оптических систем оперативной связи, контроля и управления: двилсущимися объектами
5.1 Основные принципы конструирования системы телеуправления ПО
5.2 Исследование возможности создания катушки без приклеивания витков 117
5.3 Результаты работы по созданию безынерционной катушки 123
Заключение 133
Список литературы 135
Приложения 148
- Особенности конструирования ОК с точки зрения стойкости к воздействию механических нагрузок
- Собственная угловая спиральная жесткость
- Методика и средства испытаний трансверсально-изотропных элементов ОК на воздействие растягивающего усилия, гидростатического давления и крутящего момента
- Исследование возможности создания катушки без приклеивания витков
Особенности конструирования ОК с точки зрения стойкости к воздействию механических нагрузок
Чаще всего в конструкциях ОК оптическое волокно свободно лежит в полимерной трубке, заполненной водоотталкивающим гелем. В этом случае при воздействии растягивающей нагрузки трубка может растягиваться до определенного значения, не оказывая воздействия на ОВ. Т.к. с некоторого момента дальнейшее растяжение начнет сказываться на параметрах ОВ, в конструкциях ОК применяют усиливающие элементы (стальной трос, стальная проволока или стеклопластиковый пруток) [50]. Существует широкий спектр конструктивных исполнений ОК. Внутренний диаметр трубчатой полимерной защитной оболочки больше, чем совокупный диаметр волокон, тем самым создается возможность их свободного перемещения внутри трубки. Волокна обычно длиннее трубки на (0;05 - 0,1) %, для защиты ОВ от напряжении в случае натяжения кабеля.
При изготовлении полимерной трубчатой защитной оболочки предполагается существенная дополнительная усадка в силу последующей кристаллизации полукристаллических материалов и, как следствие, высокое значение избыточной длины [51, 52].
В настоящее время при производстве трубчатых оболочек используются исключительно однослойные трубки из полибутилептерефталата (ПБТ), так как в данном случае негативный эффект дополнительной усадки существенно уменьшается за счет плотного наматывания на. катушку. При производстве на катушку могут возникать внутренние напряжения материала, вызываемые последующей кристаллизацией, однако данные напряжения в течение короткого времени устраняются вследствие релаксации [53]. При последующем скручивании трубки находятся под нагрузкой, таким образом, и на данной стадии отсутствуют возможности дополнительной усадки. Из-за различных коэффициентов теплового линейного расширения стекловолокна (0,5 х ]0 в 1С1) и полибутилентерефталата (1,3 х 10"4 1С!) необходимо наличие определенной избыточной длины волокна в трубке. Избыточная длина волокна представляет собой разницу между длиной волокна и длиной трубки и служит для компенсации разницы теплового расширения стекловолокна и ПБТ. На избыточную длину влияют следующие условия переработки: напряжение волокна при сматывании температура воды охлаждения напряжение волокна при охлаждении вязкость и тин наполнителей.
Другим способом защитить ОВ от внешних воздействий является нанесение плотного полимерного покрытия поверх ОВ - плотная защитная if оболочка (ИЗО). Защитное полимерное покрытие может быть многослойным - нижний слой из материала с низким значением модуля Юнга, а внешнее - с высоким значением модуля Юнга. Тогда ОБ называется ОВ в буферном покрытии. Материалы, используемые для ПЗО, должны обладать рядом специальных свойств: хорошая способность к переработке и высокая устойчивость к плавлению низкий коэффициент теплового линейного расширения стабильность размеров с малой послеэкструзионной усадкой высокий показатель модуля упругости и низкая ломкость ограниченное влагопоглощение хорошая устойчивость к химикатам наполнителей, а также к вызывающим растрескивание средствам очистки - спиртам и ацетону, используемым в кабельной технике хорошая устойчивость к гидролизу высокая прочность при сжатии и. достаточная износоустойчивость возможно низкая цена
С целью повышения плотности упаковки ОВ применяют ленточную технологию. При такой технологии два или более ОВ объединяются в плоскую многоволоконную ленту. Отдельные волокна связаны в одной плоскости параллельно друг другу с одинаковы шагом. В зависимости от типа этой связи различают три типа волоконных лент: с пленочным ленточным покрытием, со склеенными волокнами по их смежным боковым поверхностям и имеющие общую оболочку.
Вариантом расширения диапазона температурного и механического воздействия явилась намотка нескольких оптических модулей с определённым шагом вокруг силового элемента (центрального силового элемента - ЦСЭ). В результате чего механическая связь оболочек оптических модулей с центральным силовым элементом препятствует изменению длины оптического модуля при изменении температуры окружающей среды.
Вводимый в пространство между оптическими модулями гидрофобным заполнитель ещё более усиливает эту связь. В ряде конструкций в межмодульное пространство вводятся даже клеящие составы [51]. Следующим шагом в этом направлении явилось превращение сердечника оптического кабеля в монолитную конструкцию (профилированный сердечник). В этих конструкциях оптического кабеля роль вторичного полимерного покрытия выполняет не трубка, как в рассмотренных выше случаях, а цилиндр с прямоугольными или трапециидальными пазами, в которые закладываются оптические волокна, оптические ленты или даже оптические модули, а в центре цилиндра располагается силовой металлический или стеклолластиковый элемент. Механика работы профилированного сердечника практически повторяет механику модульной конструкций. Наиболее типичные варианты сердечников (Ж представлены нарис. На допустимый диапазон температурных и механических воздействий на оптический кабель значительное влияние имеет также толщина оболочки, наложенной па сердечник оптического кабеля, и величина обжатия сердечника [54].
Собственная угловая спиральная жесткость
Под эффективностью будем понимать степень использования доступных на данный момент возможностей конструирования, обеспечивающих стойкость ОК к заданной группе воздействий, определяющих в соответствии с ТЗ (ТУ и т.д.) область ее применения. Тот факт, что конструкция формально удовлетворяет требованиям ТЗ, еще не позволяет судить о том, насколько она эффективна, так как, возможно, полученный результат достигнут наряду с неоправданным ухудшением других параметров (например, массо-габаритных характеристик или стоимости), т.е. конструкция не является оптимальной. Таким образом, оценка эффективности важна не столько для существующих конструкций, сколько для вновь создаваемых (т.е. является средством проектирования оптимальной конструкции), а задача увеличения эффетсгивности является в то же время задачей оптимизации, направленной на максимально полное использование ресурсов проектирования. Для того, чтобы иметь возможность оценить эффективность конструкции с точки зрения воздействия каких-либо факторов, необходимо ояределить характерные параметры конструкции, или критерии, которые, в соответствии с приведенным выше определением «эффективности», должны характеризовать, во-первых, стойкость конструкции к заданному воздействию, во-вторых, -степень использования возможностей конструирования (или, собственно эффективность конструкции). Критерии должны удовлетворять следующим условиям. ]) Возможность сравнивать друг с другом различные конструкции, т.е. однозначно определить, что в соответствии с данным критерием одна конструкция эффективнее (лучше) другой.
Сравнивать имеет смысл только конструкции, имеющие одинаковые эксплуатационные и конструктивные ограничения. Например, по диаметру, массе, возможности применения тех или иных материалов, температурному диапазону, необходимости герметизации и пр. 2) Наличие методики, позволяющей достоверно рассчитать данный критерий (в том числе наличие необходимых данных по свойствам материалов). Возможность достоверно определить (рассчитать) с помощью данного критерия отклик конструкции на соответствующее воздействие. ч. 3) Область изменения критерия должна быть определена. Определим критерии эффективности конструкций, которые удовлетворяют приведенным выше требованшгм, Выделим две группы критериев: общие критерии, по которым можно оценивать эффективность любых конструкций ОК в силу того, что данные критерии характеризуют соответствие требованиям, предъявляемым ко всем кабелям; частные критерии, которые характеризуют эффективность конструкций, предназначенных для специальных условии эксплуатации. Ко всем оптическим кабелям предъявляются требования по стойкости к растягивающей нагрузке при работе в заданном температурном диапазоне. Соответствие ОК этим требованиям характеризуется жесткостью L при чГ растяжении (продольной жесткостью кабеля) и относительным запасом (избытком) єє оптического волокна в кабеле. 3.1.1. Жесткость кабеля при растяжении (безразмерная) Продольная деформация є кабеля при действии растягивающего усилия Т Ф определяется как eJ-, (3.1) S4 где L - продольная жесткость кабеля. Для соответствия требованиям по стойкости к растягивающей нагрузке деформация є кабеля с прямолинейным расположением оптического модуля (ОМ) должна быть меньше запаса se OB в оптическом модуле (см. раздел 3.1,2). Для спирального расположения ОМ при оценке стойкости к растягивающей нагрузке вместо деформации є кабеля следует использовать продольную деформацию ss оси ОМ, которая связана с н известными соотношениями [10]. В качестве критерия эффективности конструкции целесообразно использовать не жесткость L [Н] кабеля, а безразмерную жесткость L: где п, Е, F - соответственно, количество, модуль упругости при растяжении и площадь сечения элементов кабеля, воспринимающих растягивающую нагрузку (спиральные и прямолинейные элементы - нити, уложенные с натяжением, проволока, сердечник, оболочки и пр.) В некоторых случаях, когда позволяют условия эксплуатации, таким элементом может являться оптическое волокно, расположенное в кабеле без запаса ее.
Методика и средства испытаний трансверсально-изотропных элементов ОК на воздействие растягивающего усилия, гидростатического давления и крутящего момента
Система телеуправления с волоконно-оптической линией передачи информации предназначена для наведения движущегося объекта на заданную цель по информации, получаемой от гидроакустической или других систем наблюдения носителя, с использованием данных телеизмерений, поступающих от систем движущегося объекта. При этом движущийся объект может быть использован с подводных и надводных. носителей, а также с вертолетов в режиме зависания. Кроме того, система может быть использована для 5 тгоавления другими подводными самодвижущимися необитаемыми объектами с целью обеспечения их Lg движения по программной траектории или вывода в заданный район или точку с корректировкой курса и глубины в процессе телеуправления, что позволяет при оснащении телеуправляемого объекта соответствующей аппаратурой, производить мониторинг окружающей среды, грунта, затонувших объектов. На основании опыта проектирования систем телеуправления и возможностей, открываемых использованием волоконно-оптической линии с высокой пропускной способностью [100 - 103] можно выделить следующие фуніщии, которые должна выполнять система телеуправления движущимися объектами; обеспечивать двухсторонний обмен информацией между системами носителя и движущегося объекта; осуществлять информационные и функциональные связи с / системами носителя и движущегося объекта; производить обработку информации, поступающей от систем носителя и движущегося объекта; вырабатывать управляющие для движущегося объекта команды на. основе обработки указанной выше информации и инициировать их ж передачу на движущийся объект для исполнения; Г1 инициировать документирование и визуализацию технической и другой информации, поступающей от объекта и необходимой для работы человека-оператора и анализа работы систем движущегося объекта. Для выполнения этих функций неооходимо обеспечить взаимодействие систем носителя и движущегося объекта, "что достигается построением Г контура телеуправления, в состав которого входят: - информационно-управляющая система; - аппаратура системы управления носителя; - волоконно-оптическая линия передачи информации; и - система управления движущегося объекта. Волоконно-оптическая линия передачи информации предназначена для связи носителя с движущимся объектом и обеспечения обмена информацией между ними с целью управления движением объекта. Для сохранения целостности линии передачи информации при одновременном движений носителя и движущегося объекта используется вариант линии с двумя катушками, содержащими микрокабель , одна из которых размещена на движущемся объекте и разматывается при его движении, а вторая связана с носителем и разматывается по мере маневрирования носителя. Такая схема размотки исключает протаскивание микрокабеля в воде и позволяет использовать микрокабелъ с небольшим разрывным усилием. Бортовая аппаратура телеуправления носителя, катущки и аппаратура управления движущегося объекта последовательно соединены у между собой с помощью оптических соединителей (рис.5.1).
В разработанных ранее аналогах системы использовались в основном электрические кабели. В приводимых ниже изобретениях (рефератах) проблема устойчивой высокоскоростной размотки кабелей решалась посредством создания определенного натяжения разматываемых кабелей.
Изобретение [104] относится к устройствам проводной линии электросвязи и может быть использовано в области техники управления по проводам движущихся объектов. электронные модули обработки информации от датчиков цели, формирования команд управления, обработки цифровой последовательности команд управления и датчика цели соответственно; ПОМі; ПОМ2 - передающие оптоэлектронные модули аналоговой 0=1,55 мкм) и цифровой (?и=1,3 мкм) соответственно; ПРОМііПРОМг-приемные оптоэлектронные мод ли аналоговой (Я=1,55 мкм) и цифровой (АМ?3 мкм) соответственно; ОР - оптический разветвитель; ОМК - оптический микрокабелъ
Устройство содержит укладку кабеля, выполненную в виде уложенной в спираль вязаной из кабеля ленты. Один конец кабеля закреплен в корпусе устройства неподвижно, а. размещение другого обеспечивает распускание вязки конца кабеля, пропущенного через натяжитель, выполненный в форме волнообразного канала. При. закреплении корпуса устройства с укладкой кабеля и вытягиваемого из натяжителя конца кабеля на объектах, движущихся относительно друг друга, происходит размотка кабеля из укладки с необходимым усилием натяжения на кабеле.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение [104], заключается в создании устройства, обеспечивающего надежное высокоскоростное разматывание кабеля проводной линии связи движущегося объекта.
Исследование возможности создания катушки без приклеивания витков
В результате исследований был разработан альтернативный вариант катушки, исключающий указанные негативные последствия и проблемы -катушка без приклеивания витков. Эта катушка потенциально обеспечивает: значительное упрощение и удешевление технологии намотки (в массовом производстве) — скорость намотки 1 км микрокабеля составляет несколько минут при отсутствии жестких требования к технологическому процессу; снижение требований к кабелю; повышение надежности изделия за счет значительного уменьшения нагрузок на кабель при его размотке, а также за счет отсутствия клеящего состава; в значительное уменьшение влияния гидростатического давления на затухание оптического сигнала в микрокабеле в «намотанном» состоянии и исключение влияния гидростатического давления на натяжение микрокабеля при его размотке. Проблема устойчивости витков к произвольному спаданию при ускорениях и размотке, которая в «традиционных» катушгсах решается при помощи приклеивания витков, в катушке без пршшеивания витков решается за счет определенного способа намотки, легко и дешево (го сравнению с «проклеенными» катушками) реализуемого в массовом производстве.
В «проклеенной» катушке (рис. 5.2) при действии гидростатического давления (ГД) возрастает усилие отрыва кабеля от катушки, т.к. давление в такой конструкции прижимает внешние витки к намотке. При 100 атм усилие отрыва возрастет многократно. Гидростатическое давление (прижимает внешние витки) Действие гидростатического давления на проклеенную катушку. Катушка без приклеивания витков, в отличие от «проклеенной», не приводит к увеличению усилия отрыва кабеля от катушки при действии давления, т.к. намотка не герметична и содержит полости, заполненные водой. Т.е. каждый виток находится в условиях гидростатического давления и поэтому не прижимается к остальным виткам. По этой же причине гидростатическое давление не должно увеличивать затухание в кабеле в намотанном на катушку состоянии (по сравнению с увеличением затухания при действии ГД на свободный - ненамотанный кабель).. В «проклеенной» катушке такое увеличение затухания неизбежно. Схемное решение разработанной в процессе исследований катушки представлен на рйс. 5.3. По разработанной методике (Приложение В) были проведены испытания в воздушной среде и в бассейне на высокоскоростную размотку с безынерционных катушек (скорость до 50 м/с) оптического микрокабеля. По результатам испытаний были сделаны следующие выводы: основные компоненты ВОСПИ СУиН - оптический кабель и безынерционная катушка обеспечивают устойчивую размотку оптического кабеля в воде и на воздухе, не вызывая изгибов микрокабеля малого радиуса, обеспечивая сохранение целостности ОБ; вокруг катушки происходит вихревое движение воды, обусловленное движением сматываемого кабеля относительно воды; появляется натяжение кабеля, обусловленное сопротивлением воды, натяжение увеличивается по мере увеличения скорости, размотки, но данный фактор не приводит к нарушению целостности ОБ при скорости размотки до 50 м/с.
Дальнейший анализ документации, касающейся размещения катушки в составе объекта, показал, что, помимо основных требований к катушке, а именно: 1) свободная смотка микрокабеля с большой скоростью без рывков и изгибов малого радиуса; 2) отсутствие спадения витков при движении катушки с ускорением, в частности при вибрациях; I Катушка совершает возвратно-поступательное движение Электродвигатель 2 вращает направляющую скобу 1 Микрокабель, поступающий с отдающего устройства Рис.5.3 Схемное решение катушки для намотки и смотки оптического микрокабеля подводного применения: А) сечение катушки с намотанным микрокабелем; Б) намотка микрокабеля на катушку. at 3) конструкция катушки и способ намотки не должны приводить к увеличению затухания оптического сигнала при действии на катушку гидростатического давления, катушка должна удовлетворять также следующему специфическому требованияю ее размещения в составе объекта: 4) конструкция катушки должна допускать переход оптического микрокабеля при его размотке в полый вал диаметром 20 мм непосредственно рядом с катушкой. Данное требование исключает возможность использования разработанной на предварительном этапе конструкции безынерционной катушки. Таким образом, основная задача работы состояла в том, чтобы, используя преимущества разработанного ранее способа намотки микрокабеля, создать конструкцию катушки, которая удовлетворяла бы совокупности требований 1-4 настоящего раздела. На рис. 5.4 (сборочный чертеж) приведена конструкция разработанной катушки, которая в целом должна удовлетворять совокупности требований, указанных выше. Способ намотки в конструкции остается прежний. Длина наматываемого кабеля может быть увеличена за счет увеличения высоты «борта» катушки (превышения диаметра щеки катушки над диаметром «животика»).
