Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современного состояния в области конструирования, производства и эксплуатации оптических кабелей 7
1.1. Выбор схемы расчета оптического кабеля 7
1.2. Внешние механические факторы, воздействующие на ОК и определение оптического отклика ОВ на воздействие механической нагрузки 8
1.3. Расчет механической прочности оптических кабелей 13
1.4. Предпосылки создания термостабильной конструкции кабеля 14
1.5. Выбор полимерных материалов и элементов конструкции оптических кабелей на их основе 14
1.6. Расчет продольной и поперечной герметизации 18
1.7. Определение надежности оптического кабеля 19
1.8. Стойкость оптического волокна и оптического кабеля к воздействию ионизирующих излучений 20
2. Расчет внешних механических факторов, воздействующих на оптические кабели 24
2.1 Механические нагрузки, воздействующие при прокладке и эксплуатации оптического кабеля 24
2.2. Определение оптических параметров оптических кабелей на основе общих требований к волоконно-оптическим линиям связи 51
3. Расчет механической прочности оптических кабелей 59
3.1. Расчет механических напряжений и деформации оптических кабелей при растяжении 59
3.2. Расчет относительного удлинения оптических модулей при воздействии изгибающих нагрузок 68
3.3. Расчет напряжений и деформаций в оптическом кабеле при комбинированном воздействии растягивающего усилия и внешнего гидростатического давления 72
4. Теория и метод расчета термостабильной конструкции оптического кабеля 75
4.1. Оптический кабель повивного типа с равновеликими размерами полости для размещения волокон 75
4.2. Оптические кабели с неравновеликими размерами полости для размещения оптического волокна (на основе сердечника с пазами) 92
4.3. Влияние температурных условий изготовления и эксплуатации на выбор материалов и размеров конструкции оптических кабелей 100
5. Выбор полимерных материалов и элементов конструкции оптических кабелей на их основе 105
5.1. Исследование материалов для трубчатых защитных оболочек 105
5.2. Исследование поведения трубчатых защитных оболочек из различных полимерных материалов при воздействии механических нагрузок 112
5.3. Исследование поведения материала трубчатого защитного покрытия при воздействии отрицательных температур 124
5.4. Оценка оптических потерь в оптических волокнах в трубчатой защитной оболочке 125
5.5. Исследование поведения плотной защитной оболочки при воздействии механических нагрузок и оценка оптических потерь оптического волокна в плотной защитной оболочке 129
5.6. Применение композиции полиэтилена марки 153-01К
с добавкой 20% полипропилена марки «Силпон-4» для изготовления оптических кабелей 133
5.7. Материалы для силовых элементов 136
5.8. Исследование оболочек оптических кабелей, образованных из смесей полиэтиленовых и полипропиленовых расплавов 142
6. Продольная и поперечная герметизация оптических кабелей 144
6.1. Исследование процесса распространения влаги вдоль оси оптического кабеля 144
6.2. Исследование процесса распространения влаги в радиальном направлении оптического кабеля 151
6.3. Разработка математической модели процесса распространения влаги в канале с водонабухающим элементом 154
7. Надежность оптических кабелей 160
7.1. Оценка надежности оптических кабелей 160
7.2. Прогнозирование свойств материалов элементов ОК 166
7.3. Определение срока службы ОК 166
7.4. Разработка методов испытаний оптических кабелей, оптических муфт и сопутствующих изделий 171
8. Воздействие ионизирующих излучений на оптическое волокно и оптические кабели 175
8.1. Воздействие ионизирующих излучений на оптическое волокно 175
8.2. Влияние вида легирующих добавок на радиационно-оптическую устойчивость многомодовых оптических волокон 177
8.3. Величина воздействующей дозы 182
8.4. Спектры наведенных потерь световодов 184
8.5. Влияние вида легирующих добавок на радиационно-оптическую устойчивость 185
8.6. Возможные способы восстановления ОВ
после воздействия ионизирующего излучения 192
8.7. Исследование влияния гамма-излучения на физико-механические характеристики полимерных материалов для защитных оболочек кабеля
Заключение
Список литературы
- Внешние механические факторы, воздействующие на ОК и определение оптического отклика ОВ на воздействие механической нагрузки
- Определение оптических параметров оптических кабелей на основе общих требований к волоконно-оптическим линиям связи
- Оптические кабели с неравновеликими размерами полости для размещения оптического волокна (на основе сердечника с пазами)
- Исследование поведения трубчатых защитных оболочек из различных полимерных материалов при воздействии механических нагрузок
Введение к работе
Разработка волоконно-оптических систем передачи и их опытная эксплуатация на сетях связи общего пользования началась во второй половине 70-х годов. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили оценить технико-экономические параметры и эксплуатационные характеристики таких систем, а также определить условия их применения на различных участках общегосударственной сети связи.
Первоначально в этой новой отрасли техники связи использовались световоды (оптические волокна) на основе многокомпонентных стекол. К 1970 г. были созданы световоды с потерями около 20 дБ/км. Однако на сетях связи общего пользования системы передачи с применением световодов из многокомпонентных стекол не нашли применения из-за больших потерь в световодах.
Малые потери (0,19....2,4 дБ/км) были достигнуты в световодах, изготовленных из кварцевого стекла методом химического осаждения из газовой фазы. Появление кварцевых световодов стимулировало развитие новой компонентной базы для систем передачи - передающих и приемных устройств, согласованных по своим параметрам с характеристиками кварцевого волокна. Таким образом, появились основы для развития новых технических средств передачи информации с использованием кварцевых световодов - оптических кабелей. Для этих средств передачи информации характерны следующие особенности: малая емкость линий передачи и отсутствие дефицитных цветных металлов (медь, свинец) в кабеле. В среднем на каждую тысячу телефонных абонентов экономия цветных металлов составляет 7 т. Основным сырьем для производства световодов является двуокись кремния; высокая защищенность от внешних электромагнитных полей, вследствие чего не требуется применение специальных мер защиты от опасных напряжений линий электропередачи и электрифицированных железных дорог, а также от действия организованных помех от средств связи, оповещения и управления; отсутствие излучения во внешнюю среду, что практически исключает возможность несанкционированного доступа к передаваемой информации и гарантирует скрытность передачи без применения специальных средств; малое значение коэффициента затухания в широкой полосе частот (в несколько десятков раз меньше, чем в кабелях с металлическими жилами), что обеспечивает высокую пропускную способность волоконно-оптических систем передачи и большие длины регенерационных участков (до 200 км вместо 1,5...6 км на кабелях с медными жилами). Такие длины участков практически всегда позволяют на местных сетях связи при организации межстанционных соединительных линий располагать линейные регенераторы в зданиях АТС и отказаться от необходимости организации дистанционного питания, при этом исключаются трудоемкие работы по монтажу, настройке, эксплуатации и ремонту необслуживаемых регенерационных пунктов; малые габаритные размеры и масса: 1 км световода имеет массу порядка 0,04 кг, в то время как коаксиальная медная трубка такой же длины, выполняющая аналогичные функции, имеет массу несколько сотен килограмм; большая строительная длина кабеля, обусловливающая уменьшение числа промежуточных станций и соответственно увеличение надежности сети связи.
Перечисленные достоинства оптических кабелей предопределяют и технико-экономическую эффективность их применения на всех участках общегосударственной сети.
Так в 2002 году общий объем проложенных ОК в одноволоконном исчислении в мире составил около 62 млн. км. В 2003 году эта цифра достигла 108 млн. км. В России объем потребления ОК в одноволоконном исчислении намного скромнее и в указанные годы составил: в 2002 году -711,131 тыс. км, а в 2003 году - 960,556 тыс. км.
По сравнению с 2001 и 2002 годами темп производства ОК резко снизился, т.к. наблюдался процесс перепроизводства оптических волокон и кабелей на их основе.
Однако, даже установленная ведущими фирмами производителями годовая квота производства ОВ в размере (40-50) млн. км, обеспечивающая минимальную прибыль, является впечатляющей цифрой, не имеющей аналогов среди других кабелей связи.
К настоящему времени накоплен огромный опыт, как в производстве оптических кабелей, так и в области строительства, монтажа и эксплуатации волоконно-оптических систем передачи. Во многих странах эти системы передачи в течение нескольких десятков лет находятся в постоянной коммерческой эксплуатации на сетях общего пользования. Это позволило уточнить требования к компонентам волоконно-оптических систем передачи и, в частности, к оптическим кабелям.
Практика показала, что методы конструирования, расчета и технологии производства, разработанные в совершенстве для кабелей с металлическими жилами, не могут быть в полной мере применены к оптическим кабелям. Это связано с тем, что механические свойства световодов, их размеры, физические характеристики, а следовательно, и допустимые значения параметров воздействующих факторов заметно отличаются от тех, которые имеют кабели с металлическими жилами.
Поэтому постановка комплексной работы, позволяющей создать на базе теоретических и экспериментальных исследований методы конструирования ОК и новые типы ОК для специальных целей, актуальна.
Внешние механические факторы, воздействующие на ОК и определение оптического отклика ОВ на воздействие механической нагрузки
Перечень ВВФ включает в себя: одно-, многократные и циклические перемотки; осевые закручивания, одно- и многократные изгибы; растягивающие усилия; механические удары одно- и многократного действия; поперечные нагрузки сжатия распределенным усилием; синусоидальная вибрация; линейные ускорения; гидростатическое давление; грызуны; нераспространение горения; дегазация, дезактивация, дезинфекция; масло МВП; дизельное топливо ДП; амил и гептил; атмосферные осадки, соляной туман; пониженное и повышенное атмосферное давление; солнечная радиация; атмосфера с коррозионно-активными агентами; повышенная рабочая, повышенная предельная, пониженная рабочая и пониженная предельная температуры рабочей среды; повышенная влажность воздуха; циклическое изменение температуры; иней и роса; излом; надежность.
Первоначальными для расчета следует считать механические факторы, возникающие при прокладке ОК и эксплуатации [10] - растягивающие, изгибающие, сжимающие усилия. Именно они определяют основные требования к элементам ОК, конструкции силовых элементов и конструкции ОК в целом.
Механические нагрузки, воздействующие при прокладке и эксплуатации ОК. Рассмотрим важнейшие из них. Растягивающие нагрузки делятся на постоянные и переменные, статические и динамические. Постоянные статические нагрузки действуют, например, на ОК, намотанный под натяжением на барабан. Этот вид нагрузок вызывает усталостные напряжения, которые, особенно в присутствии влаги, могут вызвать разрушение ОВ при нагрузках значительно меньших, чем обеспечивает материал, из которого оно изготовлено. Статические усталостные напряжения можно предотвратить, регулируя отношение напряжения растяжения ОВ к максимально кратковременному разрушающему напряжению и применяя специальные меры по защите ОВ от влаги. Постоянная динамическая нагрузка может воздействовать на ОК, прокладываемый с корабля-кабелеукладчика, и вызывается постоянной амплитудой колебаний, например, морской волны. Переменная статическая и динамическая нагрузки воздействуют на ОК, например, при его прокладке или эксплуатации. При этом переменная статическая нагрузка при прокладке (спуске) ОК определяется тяговым усилием лебедки (спускаемого груза), прикладываемому к концу ОК, и собственной массой ОК с учетом коэффициента трения ОК о поверхность трубы (скважины). Динамические нагрузки возникают при заклинивании ОК в трубе (скважине), резком ускорении или торможении тяговой лебедки и пр. Изгибающие нагрузки наиболее сильно влияют на увеличение затухания ОК. Для определения допустимых радиусов изгибов ОК, при которых увеличение затухания не превысит заданных значений, необходимо произвести анализ способов прокладки кабелей и выявить специфику их воздействия на ОК.
Выражения для расчета внешней растягивающей силы, действующей на ОК при переменной статической нагрузке для следующих видов прокладок - в канализации, воздушная без учета ветровых нагрузок и обледенения, в грунте при прокладке с помощью кабелеукладчика, подводная -приведены в [10,11] (табл. 1.1). Таблица 1.1
Выражения для расчета нагрузок (F), воздействующих на кабели при их прокладке [91 - 95]. В выражениях, приведенных в табл. 1.1, приняты следующие обозначения: Ро - масса единицы длины ОК в воздухе; ок - длина затаскиваемого отрезка ОК в кабельный канал; кт - коэффициент трения между материалами оболочки ОК и трубы кабельной канализации (кабелеуклады-вающего ножа); р - угол наклона трассы (знак плюс берется при прокладке на подъем, минус - на спуск); п - расстояние между точками подвеса: /-стрела провиса; к - расстояние между осью кабельного барабана и осью направляющего ролика кабелеукладчика; ,- угол изгиба ОК и кабелеукла-дывающего ножа; rjp - коэффициент полезного действия направляющего ролика; Нм - максимальная глубина прокладки ОК; Рок - масса единицы длины ОК с учетом закона Архимеда для среды, в которой осуществляется прокладка ОК (Рок = Р0 - vByB); vB - объем вытесняемой изделием жидкости; ув - удельная масса жидкости для морской воды ув = 1,1-103 кг/м3); к3 - коэффициент запаса, к3 =2,5ч-3; Роб - масса спускаемого объекта, укрепленного на ОК, с учетом закона Архимеда для среды, в которой осуществляется прокладка.
Изгибающие и раздавливающие нагрузки возникают при прохождении ОК через ролик блок-баланса. Значение этих нагрузок зависит от натяжения ОК и радиуса ролика и может быть найдено из выражения F„r = k«F, (1.7) где кж - коэффициент жесткости, определяемый опытным путем и зависящий от конструкции кабеля и радиуса ролика.
Выражения взяты в предположении, что ОК ведет себя при прокладке аналогично обычному электрическому кабелю. Ранее указывалось, что данное предположение не учитывает очень жесткое ограничение в ОК, касающееся его относительного удлинения и относительного удлинения ОВ. ОВ не может длительно работать, если его постоянное относительное удлинение превышает (0,3-0,5) %. Поэтому расчет внешних механических ВВФ надо провести очень тщательно, принимая во внимание, что и способы прокладок стали более изощренными, а их техническое обеспечение также стало более разнообразно. Добавились аэродинамический и гидродинамический способы, а также прокладка с помощью безынерционной катушки. Анализ документов, регламентирующих процесс прокладки ОК, показал, что в настоящее время отсутствуют развернутые методики расчета усилий, воздействующих на ОК [12-18].
Определение оптических параметров оптических кабелей на основе общих требований к волоконно-оптическим линиям связи
При конструировании ОК нужно учитывать общие требования, предъявляемые к оптической кабельной линии связи в целом с точки зрения обеспечения заданного качества связи. При выборе параметров ОК следует стремиться к тому, чтобы ОК данного типа, предназначенный для использования на линиях до определенной длины, имел затухание, обеспечивающее заданную длину регенерационного участка, а дисперсия сигнала в выбранном ОК обеспечивала передачу сигнала с минимально допустимым уширением импульсов.
Потери в кабельной линии (аок ) рассчитываются исходя из скорости передачи, вероятности ошибки, характера сигнала, числа периферийных устройств и расстояния между ними, типов источника света и фотоприемника, потерь на вводе излучения при стыковке, числа соединений в линии и их характера (разъемные или неразъемные), допусков на температурные изменения и на ухудшение характеристик компонент системы во времени [104-110]:
С о.к — Очэ.вКо.в — ( и — "пр " ОСв - 0СВВ — Пн 0 — UpOtp - CtK - ACtp - ACtt - CL3) /tper (2.86) где аов - коэффициент затухания ОВ; ков - коэффициент укрутки ОВ, определяющий превышение физической длины ОВ в ОК за счет скрутки ОВ или расположения ОВ в ОК, например, по геликоиде; Ри - полная эффективная мощность излучения; Рпр - минимальная мощность излучения в приемке; ав и авв - потери на ввод и вывод излучения в ОВ; пн и пр - количество разъемных и неразъемных соединений; ар и ар - вносимое затухание в неразъемном и разъемном соединениях; оск - затухание в прочих компонентах оптической линии связи (разветвители, ответвители, переключатели и пр.); Дар - допуск на температурные изменения коэффициента затухания; Aat - допуск на ухудшение качества компонент во времени; ос3 - запас по мощности излучения на непредвиденные обстоятельства; рег, - длина регенерационного участка (линии). Из выше перечисленных параметров почти все известны и задаются в процессе проектирования линии.
Ри и Рпр - заданы паспортными характеристиками; осв и освв, пн и пр, ар, ар, ак, Дат, Да{ и а3 - заданы техническим заданием. Длина регенерационного участка (линии) во многих случаях может отличаться (в большую сторону) из-за способов прокладки. Если прокладка фиксирована, т.е. случаи прокладки ОК в здании, кабельных каналах небольшого диаметра, канализации, то длину трассы и длину ОК можно считать равными, и затухание будет зависеть от а0.к = a0Bko.B (1+ ТКЛР), (2.87) где ТКЛР - температурный коэффициент линейного расширения конструкции ОК.
Для случая прокладки ОК в траншее при помощи кабелеукладчика, в трубах большого диаметра, воздушным способом или под водой (скважинах) необходимо учитывать удлинение ОК из-за различных факторов. Расчет длины регенерационного участка при прокладке оптического кабеля в траншее. При прокладке кабелеукладчиком амплитуда отклонения ОК от оси прокладки будет определяться шириной траншеи, что в свою очередь определяется толщиной ножа.
Период расположения ОК будет определяться диаметром витка ОК намотанного на барабане (Б), т.к. ввиду действия сил упругой деформации ОК должен сохранить форму, которой он обладал на Б.
При выборе Б для намотки ОК учитывается: механическая прочность Б, допустимый для данного ОК радиус изгиба, длина наматываемого ОК, его наружный диаметр, общая масса. Намотка на Б может быть двух видов: рядовая и шахматная.
Для рядовой намотки (рис. 2.16 а) - оси витков последующего ряда находятся в одной вертикальной плоскости с осями витков предыдущего ряда (рис. 2.16 а) 14Bh(h + D,) d2-1000 v
Для шахматной намотки (рис. 2.16 б) - оси витков последующего ряда находятся в вертикальной плоскости, проходящей через точку соприкосновения между соседними витками предыдущего ряда. Bh(h + D,) (288б) dMooo v J где L - длина кабеля, намотанного на барабан (м) В - ширина барабана (мм) D - наружный диаметр кабеля (мм) Н - высота намотки (мм) h = --а, (2.83 в) где D - диаметр щек барабана Di - диаметр шейки барабана а - высота свободного промежутка Величина свободного промежутка берется равной не более двух диаметров наматываемого ОК, но не менее 50 мм.
В МИ. 16.К00.152-2003 приведены расчетные минимальные, средние и максимальные диаметры витков ОК на Б, максимальные длины ОК на Б, а также ширина траншеи, которая получается при применении различных типов кабельных ножей.
Приняв размещение ОК в траншее согласно рис.2.17, можно отметить, что при этом должно возрасти затухание ОВ по двум причинам: - ввиду увеличения физической длины ОК по сравнению с длиной трассы магистрали; - ввиду возникновения дополнительных потерь энергии на изгибах ОК.
Исходными данными для определения увеличения физической длины ОК по сравнению с длиной трассы кабельной магистрали являются: минимальный и максимальный диаметры намотки ОК на Б; ширина траншеи, образованной кабельным ножом и диаметр ОК. Этих исходных данных достаточно для определения количества изгибов и их радиуса на единице длины трассы кабельной магистрали.
Для решения поставленной задачи необходимо определить длину кривой (кабеля) на участке одного периода.
Если кривые являются графиком непрерывно дифференцируемой функции у = f(x), то ее длина S на интервале [а; Ь], при а х Ь определяется как: S = 7l+[f(x) ]2 сіх , (2.89 a)
Если предположить, что при сжатии полуокружности ОК в траншее получается эллипс, для которого х = a sin t; у = b cos t; 0 t 2n; 0 b a, то длина дуги от верхнего конца малой полуоси до конца большой полуоси (т.е. четверть длины эллипса), будет S = 7(х )2 +(у )2 dt = JVa2cos2t + b2sin2t dt = J aVl - Wt dt, (2.89 6) где є - эксцентриситет эллипса Va2-b2 є = Следовательно S = JVl-esin2t dt, (2.89B) где 0 с 1
Таким образом, решением является эллиптический интеграл второго рода, который не выражается через элементарные функции. Приближенные значения длин дуг элемента можно получить, либо приближенно вычислив интеграл, либо воспользоваться имеющимися таблицами значений эллиптических интегралов.
Задача существенно упрощается, если предположить, что кабель в траншеи располагается по дуге окружности (рис. 2.17) радиуса R. Ширина траншеи Н, равна толщине кабельного ножа. Все необходимые величины можно найти из треугольников ОАВ и ABC
Оптические кабели с неравновеликими размерами полости для размещения оптического волокна (на основе сердечника с пазами)
Значение разности Дт, длин i,o и 2,0 двух параллельных элементов под воздействием смены температур А Т определяется из выражения [125] АЄт = АСн + АТ(С1)оТКЛРі-С2).оТКЛР2) , (4.1) где ТКЛРі и ТКЛРг - температурные коэффициенты линейного расширения материалов; А н - начальная разность длин. При равенстве длин элементов в исходном состоянии формула (4.1) записывается как Дт= Со-АТ-АТКЛР , (4.2) где А ТКЛР - разность ТКЛР. Изменение длины т относительно первоначального значения при условии равенства длин в исходном состоянии равно
Разность длин А = а - ь образующих внутренней поверхности изогнутого на угол 2л по радиусу R полого круглого цилиндра с наружным диаметром dM и толщиной стенки 2t, в соответствии с (4.4), определяется из выражения: Д/ = 2к[R + (dH )]-27t(Л + /) = 2л-(dM -2/) 5 (4 6)
В изогнутом модуле могут быть свободно размещены элементы разной длины, или размещенный по нейтральной оси элемент может изменять свои размеры, смещаясь по радиальному направлению полости.
Абсолютное изменение длины для конкретной конструкции изогнутого модуля определяется наружным диаметром модуля, толщиной стенки и максимальным размером вводимого в модуль элемента [125]. С учетом последнего параметра максимально возможное полное изменение длины от нижней до верхней образующей при круглом ОВ может быть определено как: Mk=2n{dM-2t-d3) , (4.7) а возможное изменение длины от осевой линии .. 2n(dM-2t-d3) Мк,0=- -2 3j- , (4.8) При изготовлении и эксплуатации элементы конструкции и кабель с известными наружными диаметрами изгибаются вокруг поверхности известного радиуса. Поэтому воспользуемся относительным значением изменения длины. С учетом (4.5) и (4.7) максимально возможное полное изменение длины элемента диаметра d3 расположенного в модуле cl-2t-d3. d„-2t-d,. к = — = " . / , (4.9) Р R+ dy2 Относительное изменение длины элемента с учетом только удлинения или укорочения относительно осевой линии равно Ъ.. Щ . (4.10) 2/7
К такой модели может быть отнесена конструкция кабеля со спиральным расположением модулей вокруг центрального элемента конструкции с расположением ОВ в спиральных каналах сердечника, все конст рукции со скруткой модулей в группы, а групп в пучки и др., в прямолинейном и изогнутом состоянии.
Вывод формул для расчета геометрических размеров элементов конструкции кабеля.
Приравняв выражения (4.3) и (4.9), можно связать геометрические размеры и положение модуля в пространстве с параметрами, характеризующими влияние окружающей среды с переменной температурой. Это дает возможность приступить к расчету геометрических размеров элементов традиционной повивной конструкции ОК, исходя из заданных требований по числу ОВ, рабочему диапазону температур, характеристикам материалов. Конструкция ОК в рабочем диапазоне температур не должна вносить дополнительные изменения в характеристики ОВ, обусловленные взаимодействием покрытия модуля и ОВ при изменении температуры.
В том случае, если накладываются ограничения на диаметр ОК, в дальнейшем необходимо решить дополнительную задачу, то есть предсказать при выбранных размерах изменение характеристик при значении рабочего диапазона температур, при которых начинается взаимодействие ОВ и покрытия.
При выводе выражений приняты следующие условия и допущения [125-128].
1. Градиенты температур в сечении ОК равны нулю, т.е. температурное поле в ОК однородное и расчет производится для стационарного режима.
2. Значения изменяемых параметров брались абсолютные, так как знаки параметров не влияют на абсолютное значение рабочего диапазона температур из-за симметрии процесса изменения размеров относительно осевой линии модуля.
3. Из-за малых величин не учитывалось изменение размеров элементов конструкции ОК в радиальном направлении под влиянием смены температур. Изменение зазора между ОВ и внутренней поверхностью ТЗО учитывалось по принятой методике при анализе результатов расчета конкретных конструкций в случае соизмеримости полученных значений и величин температурных изменений зазора.
4. Длина ОВ равна длине осевой линии модуля, то есть не учитывалось на данном этапе расчета изменение размеров под влиянием технологических факторов, в том числе температуры изготовления.
5. Из-за разности ТКЛР материалов модуль изменяет размеры независимо от остальных элементов конструкции ОК, так как конструкция обеспечивает свободу их взаимного смещения в продольном направлении.
6. Изменение напряженного состояния в ОВ при изменении радиуса изгиба за счет его малого смещения от осевой линии не вносит дополнительных изменений в характеристики ОВ.
Исходными данными при расчете являются: - рабочий диапазон температур AT кабеля; - разность ТКЛР (А ТКЛР = ТКЛР„ - ТКЛРЭ), где ТКЛРм - характеризует композицию материалов, образующих трубчатое покрытие модуля, а ТКЛРЭ - композицию материалов в конструкции ОВ. Так как ТКЛР материалов может иметь температурную зависимость, то при расчете необходимо выбрать максимальное значение АТКЛР в рабочем диапазоне температур; толщина стенки трубчатого покрытия модуля - t; максимальный размер ОВ, размещаемого в полости модуля d3; число модулей в кабеле п; угол скрутки модулей вокруг центрального элемента Q. Необходимо определить: диаметр модулей dM, располагающихся вплотную по спирали вокруг центрального опорного элемента; диаметр центрального элемента Dc; диаметр сердечника кабеля DK, включающий центральный элемент и повив модулей. Расчет производится с учетом необходимости обеспечения двух условий [129]. Первое условие: Диаметр центрального элемента должен обеспечить размещение определенного числа модулей, развернутых по отношению к продольной оси на угол скрутки (рис. 4.2). Математически это условие записывается как Для п 14 для углов скрутки от 40 до 90 при ошибке расчета ± 1% допускается использование приближенного уравнения Dc=dJ- —-l) , (4.12) V, п sin Q ) Так как по техническим требованиям параметрический ряд числа ОВ в кабеле начинается с 2, то используем (4.11).
Второе условие: Диаметр модуля с учетом толщины стенки, размера внутреннего элемента и спиральности должен обеспечить свободное изменение размеров внутреннего элемента при изменении температуры. Математически это условие может быть выражено, как уже отмечалось с помощью (4.3) и (4.9).
Исследование поведения трубчатых защитных оболочек из различных полимерных материалов при воздействии механических нагрузок
Полимерное изделие при обычных технологических процессах изготовления может приобрести избыточную потенциальную энергию упругой деформации, а при эксплуатации - реализовать эту энергию и изменить свои размеры и форму. Процесс усадки полимера при этом обусловлен сложной системой физико-химических превращений, происходящих в полимере со временем. Несмотря на сложность этих превращений, последние в большинстве случаев могут считаться аддитивными.
В данной части работы изучалась кинетика усадки ТЗО. По изменению со временем линейных размеров образца определялись кинетические параметры процесса для возможности прогнозирования поведения полимера на другие времена и температуры.
Изучение кинетики усадки полимера проводили сразу же после получения ТЗО, так как усадка обычно происходит наиболее интенсивно вначале и информация на начальном участке важна. Кинетику усадки изучали в течение 10-12 суток и одновременно при трех температурах: 20, 60 и 80 С. Для изучаемых полимеров эти температуры входят в область высокоэластичного состояния и процесс усадки должен носить релаксационный характер. К тому же этот интервал близок к эксплуатационному и в пределах его структурных превращений в полимерах не происходит.
Исследование кинетической закономерности усадки образцов полимерной изоляции показали, что она носит релаксационный характер, скорость процесса существенно меняется в зависимости от температуры. Кривые усадки с увеличением температуры ранее выходят на насыщение. В общем случае, на кривые усадки молено условно выделить два участка: нестационарный и стационарный (более длительный по времени). Нестационарный участок в значительной степени зависит от технологии и, в основном, происходит на первые часы после изготовления ТЗО. На рис. 5.3 представлена кинетическая кривая усадки для полиэтилена. Для смесей и полипропилена характер кривых подобен.
Кривые усадки для практических целей традиционно представляются в координатах Л/о-1п t (T=const), где С - изменение длины и о - начальное значение длины образца, t - время, соответственно. В этих координатах установившийся процесс усадки апроксимируется прямой линией и путем экстраполяции этой прямой можно оценивать значение усадки полимера при фиксированной температуре на более длительное время.
Уравнение кривой на установившемся участке для всех типов изоляции, в этом случае, имеет вид: t = Aehs , (5.1) 109 где b - параметр, характеризующий скорость данного процесса, А -значение преэкспоненты.
При представлении зависимости усадки в полулогарифмических координатах параметр b определяется котангенсом наклона зависимости A/o-ln t (рис. 5.3.6). Отметим, что показатель степени экспоненты, в данном случае, не соответствует константе скорости усадки, а определяет только наклон графика.
В пределах одного структурного состояния параметр, характеризующий скорость данного деформационного поведения должен линейно зависеть от температуры, что и подтверждено экспериментально. Значение параметра b (5.1) с точностью до 5 % укладывается на прямые в координатах а-Т.
Линейная зависимость параметра b (5.1) от температуры позволяет прогнозировать данное деформационное поведение на другие температуры (в пределах того же структурного состояния) дополнительно к прогнозированию при рабочих температурах, путем экстраполяции графиков A/o-ln t (рис. 5.3.6). При классическом подходе к усадке физико-химические превращения от времени при постоянной температуре описываются уравнением [137,138] У = ±А , (5.2) /=i где Y - контролируемый параметр, в данном случае, усадка; Aj и К; - постоянная и константа скорости элементарного процесса, соответственно.
Значение контролируемого параметра представляется в полулогарифмических координатах ln(p и по наклону спрямленного участка процесса определяется константа скорости. При этом первоначальный участок, определяемый процессами структурирования и быстротечными физическими процессами, отбрасывается. Дальнейшее прогнозирование осуществляется по установившимся физико-химическим процессам разрушения. В общем случае, последние процессы проходят в течение длительного времени одновременно и разделить их возможно только прямыми физическими методами. При механических испытаниях эффект от физико-химических процессов старения такого рода обобщается.
Предварительная обработка исходных кинетических кривых усадки показала, что последние, на установившемся участке с точностью до 10 % могут быть описаны монопараметрическим уравнением типа где s = ДЯо - значение текущей деформации, є0 и с -соответственно предельные значения деформации для нестационарного и стационарного процессов, К - константа скорости, t - время выхода на стационарный режим. На рис.5.4 представлены графики зависимости константы скорости от обратной температуры (1/Т), в полулогарифмических координатах (1пК). Обработка графиков показывает, что константа скорости данного процесса экспоненциально зависит от температуры и это соотношение аналогично уравнению Аррениуса для зависимости скорости химической реакции от температуры K = K0exv(-U /RT) , (5.4) где U - эффективная энергия активации, Ко - температурный коэффициент; R - универсальная газовая постоянная.
Из графиков зависимости 1пК от 1/Т по наклону этой зависимости можно найти величину энергии активации процесса. По порядку величины значения энергия активации данного процесса деформации соответствует энергии конформационных перестроек или энергии разрыва межмолекулярных связей, что соотносится с литературными результатами исследования процесса деформации такого рода.
Представляет интерес проследить изменение энергии активации процесса усадки для смеси. Расчет показывает, что валовая характеристика процесса усадки, параметр энергии, как и ТКЛР не подчиняется принципу аддитивности.
Рассуждения о роли граничного слоя в двухфазной смеси, проводимые ранее в полной мере применимы и для данного деформационного поведения.
Определим роль и вклад начального, неустановившегося участка процесса усадки, соответствующего деформации єо (5.3). Процесс усадки начинается сразу же после выхода из фильеры экструзионной машины и в начале идет более интенсивно. Отсчет изменения линейных размеров производился спустя некоторое время, в нашем случае, 2-3 часа после изготовления, нагрев и выход на изотермический режим образцов до рабочих температур 60 и 80С в камере также приводит к неконтролируемой усадке. Для исследуемых полимеров в пределах контролируемого времени неустановившийся процесс усадки Єо для самой низкой температуры в 20С составлял не более 5 часов, а по деформации не более 25 % по отношению к установившейся по скорости части деформации Єоо (5.3).
Оценивая вклад начального участка, произведем расчет относительного изменения длины образца с новой условной начальной длиной Со соответствующей по времени началу установившегося участка. Для всех типов изоляции было выявлено, что относительное изменение
