余长形成机理及测试方法优化

4.3.1.1　余长形成机理

在所有松套光缆中，余长都是一个非常重要的控制参数，余长大小直接影响光缆的机械性能和温度特性。

影响光纤余长的主要因素有：冷水槽和热水槽之间的温差；光纤的放线张力和套管的收线张力；光纤绞合器的绞合角度和频率；生产线速度；牵引轮直径大小；套管在牵引轮上缠绕的圈数；填充油膏的粘度和填充温度；履带牵引和轮式牵引的速度差等。

光纤在松套管中的余长大小是由光纤在套管中所呈现的状态决定的，通常光纤在松套管中的状态主要有正弦分布和螺旋分布两种形式。根据光纤余长定义：

式中：Lf——光纤（或光纤带轴线）的长度；

Lt——松套管的长度。

以下介绍几种影响光纤余长的主要因素。

（1）水温差对余长影响

市场上，主流的二次被覆套管材料为聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT），属于高分子工程塑料，具有热胀冷缩的特性。其他高分子材料（如PP）也具有同样的特性。光纤（或光纤带）从光纤放线架放出，经过油膏填充装置后进入塑料挤塑机头，在填充有纤油膏的光纤（或光纤带）表面挤塑一层高温熔融状态的塑料，松套管进入热水槽进行一次冷却后通过单轮牵引轮，再进入冷水槽中进行二次冷却，两节水槽温度差会产生余长，余长计算公式如下。

松套管长度变化ΔL1：

光纤长度变化ΔL2：

根据光纤余长定义，通过第一、二节水槽的水温差产生光纤余长ε1为：

式中：D0——牵引轮的直径；

D——松套管的外径；

δ——松套管的壁厚；

df——光纤外径；

根光纤的等效直径；

αp——PBT的温度系数（约1.34×10－4℃）；

αc——光纤的温度系数（约3.40×10－7℃）。

由于αp和αc之间相差3个数量级，所以对ε1最终公式进行简化处理，且由于水温差T1＞T2，可以得出ε1始终大于0（ε1＞0），表4.3.1为水温差对余长影响测算值。

表4.3.1　水温差对余长影响测算值

因此，通过计算公式得出上表4.3.1中测算数据，水温差越大，光纤在松套管中的余长越大。在中心束管式大余长结构光缆（如GYXTW光缆），恰好利用第一节水槽高温，第二节水槽低温的大温差原理来实现光纤在套管中的大余长。

（2）光纤放线张力对余长的影响(www.xing528.com)

在高速生产过程中，需要通过调整光纤放线张力来保证光纤顺利放出，且不被拉断的条件下保证光纤平稳进入松套管中。由于光纤在放线导轮调节下，始终是被动式进入松套管中，光纤将发生拉伸应变，其应变计算公式如下：

式中，E为光纤的杨氏模量（7×106MPa）；FC为光纤的放线张力（g）。

表4.3.2　光纤放线张力对余长影响

光纤进入PBT松套管后，PBT松套管在温水槽和冷水槽中冷却收缩，光纤在PBT松套管中所受拉伸张力反而会逐渐减小，光纤拉伸应变得到一定程度的恢复，如果恢复不完全，则光纤在松套管中将直接产生负余长。在实际生产中，由于光纤放线架上一般可放12盘光纤，在调整光纤余长时不可能经常调整光纤放线张力来调节不同规格松套管的余长，并且此种做法不切实际。同时这样做也会导致套管中光纤余长一致性变差，反而不利于光纤余长的精准控制。通常是固定每一个放线架的放线张力（通常80～100g）来实现稳定的负余长，以保证更好的余长一致性。

表4.3.2中对不同光纤放线张力下对余长大小进行了测算，不难得出，光纤放线张力越大，产生负余长也就越大，且呈线性增加。反之，光纤放线张力减小，有利于光纤正余长形成。由此可见，光纤放线张力是可以有效调整光纤余长的工艺参数之一。

图4.3.3　套管在单轮牵引上的尺寸

D0—牵引轮直径；D—松套管外径；δ—松套管壁厚

（3）牵引轮对余长的影响

二次被覆生产线中，主要采用轮式方式对松套管进行一次牵引，轮式牵引有单轮牵引方式，也有双轮牵引方式。在轮式牵引和光纤放线张力的共同作用下，松套管中的光纤紧靠在松套管内侧壁，产生了光纤余长。以单轮牵引结构为例，根据图4.3.3中的各参数，可以计算出光纤余长。

PBT松套管长度：

松套管中光纤长度：

根据松套管中光纤余长定义可以得出光纤余长：

由于松套管外径大于套管壁厚与光纤等效直径的之和（即），根据上述ε3计算公式可以看出光纤余长ε3＜0，即光纤在单轮牵引上产生的光纤余长为负。松套管壁厚δ通常在0.2～0.3mm（中心束管光纤带光缆松套管壁略厚），光纤外径df可以参照0.255mm计算，单轮牵引的直径通常在800～1000mm，表4.3.3是根据不同松套管规格计算的ε3余长值。

表4.3.3　牵引轮直径对余长的影响

（4）其他因素对余长影响

影响松套管光纤余长的因素还有较多，例如二次被覆生产线速度、纤油膏填充温度和填充压力、光纤绞合器频率和绞合角度等均会影响二次被覆中光纤的余长。比如二次被覆生产线速度越快，松套管在第一节热水槽中冷却时间越短，材料结晶度小，进入第二节冷水槽后结晶度上升，不仅有利于套管余长形成，而且套管的尺寸稳定性得到进一步提升。生产线速度变慢，刚从机头挤出的松套管迅速在第一节热水槽中冷却定型，套管收缩减小，余长变小。所以，生产线速度越快，余长越大。反之，生产线速度越慢，余长越小。因此，在余长验证测试中，通常取高速生产的套管做余长测试会比较真实。

光纤填充油膏属于触变性高分子材料，一般来说，温度升高材料粘度下降，流动性增强，有利于光纤油膏填充，填充压力会减小，同时光纤在松套管中也容易出现相对滑移，有利于减小余长。在油膏填充过程中，必须保证油膏填充顺畅，均匀和平稳，油膏填充压力不能太大。如果油膏粘度大，填充压力过大，油膏在填充过程中进入PBT松套管后会对光纤产生牵引作用，从而导致光纤余长不可控。

光纤余长绞合器和绞合圈数也对光纤余长产生作用，早期工艺中较多使用该工艺，一般地，光纤余长绞合器主要适用于大余长、低线速度的结构套管，光纤在进入油膏针管前对光纤进行SZ绞合，从而使光纤在松套管中形成正弦曲线形态，绞合角度越大，光纤余长越大，绞合圈数越多绞合余长也越大，反之亦然。随着二次被覆工艺技术不断进步，生产效率不断提升，余长绞合器设备不能满足现代高速率生产线的工艺技术，已逐步被淘汰或取消。

4.3.1.2　松套管余长的常规测试方法

二次被覆松套管下线后，首先将套管放出10m左右，然后将收线盘向一个方向滚动再放出10m左右套管，由两人将放出套管的中间段轻轻托上有效测量长度为5m长的测量平台。其中一人固定套管的一端，另一人轻轻用力拉直套管并固定另一端，分别在套管两端做上相距为5m的标记，两人在两端标记位置同时快速切断套管，并再次检验所切套管长度是否符合5m标准长度。验证完套管长度后，从5m长样品套管中取出所有光纤，用纸巾擦拭干净填充油膏，把所有光纤均放在测量台上，一端固定标尺端的起始点，另一端则可以直接从刻度线上读出光纤的富余长度，以毫米为单位。通过式（4.3.1）可以计算出二次被覆余长。