3. Расчет элементов конструкции оптического кабеля

Поперечное сечение кабеля ОКСТМ-10-01-0.31-24(2.7), представлено на рисунке (рис. 6).

Рис. 6 Конструкция кабеля: 1 – армирующий элемент, 2 – буферный слой, 3 – оптическое волокно, 4 – защитная трубка ОМ, 5 – гидрофобный заполнитель, 6 – защитная лента, 7 –  демпфирующий слой, 8 – стальная гофрированная броня, 9 – внешняя оболочка.

Из условия сохранения оптическим волокном своих свойств определяется диаметр центрального армирующего элемента. При этом допустимое растягивающее усилие не должно превышать P = 2700 H, а оптическое удлинение – 0.3%.

Площадь поперечного сечения армирующего элемента рассчитаем по формуле:

, м² (1)

P = 2700 Н – максимальное растягивающее усилие при прокладке;

Н/м²– модуль упругости Юнга материала, из которого изготовлен армирующий элемент (для волокон СВМ);

= 0.01 - допустимое продольное удлинение.

Тогда площадь поперечного сечения составит:

м²

Внешний диаметр армирующего элемента рассчитаем по формуле:

,м (2)

м, мм.

Внешний диаметр буферного слоя рассчитываем по формуле:

, мм (3)

n – число оптических модулей, n = 6;

мм - диаметр оптического модуля (защитной трубки).

мм.

Внешний диаметр кабельного сердечника рассчитывается по формуле:

, мм (4)

- толщина защитной полиэтиленовой ленты, мм.

мм

Внешний диаметр демпфирующего слоя:

, мм (5)

- толщина демпфирующего слоя, мм.

мм.

Внешний диаметр кабеля:

, мм (6)

мм - толщина стальной гофрированной брони, мм;

мм - толщина внешней оболочки, мм.

мм.

Определим внутренний диаметр защитных полиэтиленовых трубок (оптического модуля). Если длина оптического во­локна заключенного в защитную трубку равна длине трубки, получим, что длина оптического волокна в отрезке кабеля длиной Lк равна величине , где – это длина геликоидальной линии, имеющей диаметр Do, и шаг Н в пределах от z = 0 до z = [ 4 ].

, мм (7)

В нашем случае средний диаметр геликоиды равен удвоенному расстоянию от центра кабеля до центра поперечного сечения одной из трубок:

, мм (8)

мм.

При удлинении кабеля, волокно перемещается в модуле по направлению к центру кабеля и стремится занять крайнее положение по винтовой линии:

, мм (9)

– внутренний диаметр защитной трубки, мм.

Длина этой линии равна:

, мм (10)

, (11)

Условием отсутствия деформации оптического волокна при удлинении кабеля является следующее соотношение:

(12)

Раскрывая обе части данного выражения, имеем:

Проведя несложные преобразования, получим:

Поскольку , то можно полагать, что . При этом допущении получим формулу:

(13)

Шаг скрутки следует выбирать исходя из условия: , где - радиус изгиба, вызванного скруткой, - минимально допустимый радиус изгиба волокна.

мм.

Для сохранения свойств оптического волокна вводится двукратный запас . Тогда:

мм

При заданных значениях , шаг скрутки определяется по формуле:

, мм (14)

, мм

Радиус кривизны геликоидальной линии постоянен и равен:

, мм (15)

мм

Зная шаг скрутки, получаем:

, мм

мм

Определим внутренний диаметр оптического модуля по следующей формуле:

, мм (16)

, мм

Результаты расчета конструктивных размеров элементов кабеля и исходные данные для дальнейших исследований сведены в таблицу 6.

Расчет механических параметров оптического кабеля

Рассчитаем погонную массу кабеля. Плотности материалов, применяемых при изготовлении оптических кабелей, приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 3. Массу 1 км кабеля рассмотрим как сумму весов всех его элементов, и рассчитаем по следующей формуле:

, кг/км (17)

– плотность i-го элемента, кг/м³;

– площадь поперечного сечения i-го элемента, мм²;

n – количество элементов без учета их кратности;

– кратность i-го элемента.

Так как почти все элементы оптического кабеля имеют цилиндрическую форму, то формула для площади поперечного сечения будет иметь вид:

, мм² (18)

– внешний диаметр i-го элемента,

– внутренний диаметр i-го элемента.

Площадь поперечного сечения заполнителя равна разности площадей общего поперечного сечения и суммарного сечения всех элементов кабеля:

, мм² (19)

Площади сечений и масса всех элементом кабеля

Оптическое волокно:

• - плотность, г/см³

• - внешний диаметр, мм

• - сечение, мм²

• - масса, кг/км

Армирующий элемент:

• - плотность, г/см³

• - внешний диаметр, мм

• - сечение, мм²

• - масса, кг/км

Буферный слой:

• - плотность, г/см³

• - внешний диаметр, мм

• - внутренний диаметр, мм

• - сечение, мм²

• - масса, кг/км

Защитная трубка ОМ:

• - плотность, г/см³

• - внешний диаметр, мм

• - внутренний диаметр, мм

• - сечение, мм²

• - масса, кг/км

Защитная лента:

• - плотность, г/см³

• - внешний диаметр, мм

• - внутренний диаметр, мм

• - сечение, мм²

• - масса, кг/км

Демпфирующий слой:

• - плотность, г/см³

• - внешний диаметр, мм

• - внутренний диаметр, мм

• - сечение, мм²

• - масса, кг/км

Стальная гофрированная броня:

• ρ=7.71- плотность, г/см³

• - внешний диаметр, мм

• - внутренний диаметр, мм

• - сечение, мм²

• P=21.68·7.71=167.2- масса, кг/км

Внешняя оболочка:

• ρ=0.91- плотность, г/см³

• - внешний диаметр, мм

• - внутренний диаметр, мм

• - сечение, мм²

• P=48.07·0.91=43.5- масса, кг/км

Гидрофобным заполнителем наполнено свободное пространство внутри оптических модулей и между ними. Соответственно, площадь сечения заполнителя будет равна площади внутри защитной ленты за вычетом сечений трубок ОМ, оптического волокна и армирующего элемента с буферным слоем:

• мм²

• - плотность, г/см³

• - масса, кг/км

Результаты расчета погонной массы оптического кабеля сведены в таблицу 6.

Таблица 6

Результаты конструктивного и механического расчета оптического кабеля ОКСТМ-10-01-0,31-24(2,7)

Элемент конст­рукции	Материал	Внутренний диаметр, мм	Внешний диаметр, мм	Толщина t, мм	Плотность, , г/см3	Количество	Сечение, мм2		Масса, кг/км
Оптическое волокно	Кварц	-	0,245		2,48	24	0,05		2,98
Армирующий элемент	СВМ	-	2,3		1,25	1	4,15		5,19
Буферный слой	Полиуретан	2,3	3	0,4	1,1	1	2,91		3,2
Защитная трубка ОМ	Полиэтилен	1,99	3	0,505	0,92	6	3,96		21,8
Защитная лента	Полиэтилен	9	9,3	0,15	0,92	1	4,31		3,97
Демпфирующий слой	Полиуретан	9,3	13,3	2	1,1	1	71		78,1
Стальная гофрированная броня	Гофр. сталь	13,3	14.3	0.5	7,71	1	21,68		167,2
Внешняя оболочка	Полиэтилен	14,3	16,3	1	0,91	1	48,07		43,5
Гидрофобный заполнитель	Петролатум				0,7		31,59		22,11
Суммарное значение								208,67		350,8