一、前言
光纜在生產、運輸、敷設以及使用過程中會受到各種外部機械力的作用。這些外部機械力對光纜的正常使用和壽命都影響很大。因此需要檢驗在各種外部機械力作用下，光纖衰減的變化或光纖應變的變化。實際中做法是把這些外部機械力分解為單一作用的各種力和作用，如拉伸、壓扁、沖擊、彎曲、扭轉、曲撓等等，其中光纜拉伸性能是制造廠家和用戶最為關注的項目。現有的標準都對光纜拉伸的試驗進行了較為詳細的規定，但是依然存在一些沒有明確的模糊地帶，比如對光纜受試長度的規定。這些模糊地帶給光纜拉伸試驗的操作以及結果的可比性和可用性造成了困惑。本文希望對現有標準規定進行探討，給出一些明確的操作規定和做法。
(資料圖片僅供參考)
二、光纜拉伸試驗受試長度的標準規定
光纜拉伸試驗受試長度是計算光纖應變的基礎，決定了光纖應變的大小和計算偏差。我國的標準從最早的YD/T 825-1996到GB/T 7424.2 的2002和2008兩個版本，以及最新的GB/T 7424.21的報批稿都明確寫了光纜受試長度的計算規定：兩卡盤入口切點間光纜長度與一個卡盤周長之和。不同標準表述略有不同，但意思基本一致。而IEC相關的標準從IEC60794-1.2的99版開始到最新的2021版都沒有給出具體的規定，這給光纜拉伸試驗結果的實驗室間的比對帶來了很大不確定性。
圖1 光纜拉伸試驗示意圖
但卡盤入口切點到底在哪兒，如圖1所示，在標準的示意圖上沒有明確指出，不同使用標準的人往往理解不一致，造成實際計算的千差萬別，從而帶來試驗結果的偏差，給光纜的產品質量帶來風險。早期的研究[1]認為在如圖1的繞纜方式下光纜拉伸的等效受試長度為：
等效受試長度=平行段長度×6+滑輪半圓弧×7×系數K（μ） 公式（1）
得到這個結論的前提有兩個：一是認為光纜在卡盤上的多圈纏繞和換向滑輪上的半圈狀態一樣；二是把光纜假設為結構均勻的繩體，類似一個PE棒。這兩個假設事實上和光纜的實際狀態有較大差異。
原因有以下三個方面：一是卡盤是不能轉動的，換向滑輪是接近理想的定滑輪，光纜在這兩種輪子上纏繞時力學效應是完全不一樣的。第二個原因是光纜受到拉伸時，其結構體中模量最大的加強鋼絲是承受拉力的最大貢獻者。文獻[1]只考慮到了外護套和卡盤滑輪之間的摩擦力，但這只是部分事實，更多的力值是鋼絲加強芯承受的，不能代表光纜結構各組件受力全貌。三是現在的實際光纜拉伸實驗中，光纜的盤繞方法和圖1推薦的方法不一致，一般只有一個來回，如圖2所示。因此在光纜的拉伸試驗中，文獻[1]的研究結論并沒有得到廣泛接受應用。實際操作中，各種光纜等效受試長度算法都有，給光纜拉伸試驗的光纖應變計算造成了混亂。為了更科學準確進行光纜拉伸試驗，為生產制造廠家和檢測機構提供更為準確的測試結果，幫助改進光纜產品質量，非常有必要對光纜等效受試長度進行再研究，以統一行業認識。
圖2 一個來回的光纜拉伸試驗示意圖
三、換向導輪和卡盤上的光纜受力分析
3.1 換向導輪上的光纜受力分析
光纜拉伸試驗中的換向導輪即圖1中的傳遞裝置，是一個可以自由轉動的定滑輪，如圖2所示。從理論上來說，如果非剛體的光纜自重不能忽略，則無論施加多大的拉力，光纜的重力都需要一個向上的力來平衡，即光纜不可能被拉到完全水平的狀態，只能無限接近水平，也即真實的光纜與水平線總會保持一定的角度θ。只有拉力很大，光纜自重比較小的情況下，θ角會趨近于零。光纜在拉伸過程中保持靜止狀態時，卡盤處于動平衡狀態，可以近似認為換向導輪兩側的光纜拉力Fa和Fb相等。纏繞在滑輪上的光纜受力近似處處相等，都等于光纜受到拉力。意味著換向導輪上的半圓弧光纜長度可以完整計入光纜受試長度。
圖3 光纜拉伸試驗機的換向導輪（滑輪）
3.2 卡盤上的光纜受力分析
卡盤是用來固定光纜的，通常光纜在卡盤上纏繞4到5圈再在尾端通過加持固定，就能讓光纜在拉伸端承受較大的拉力而不會發生滑動。實操經驗可知夾持端受力很小，只要稍加固定就能保持光纜固定。這里有個典型的拴牛的案例，其力學原理一樣。放牛時為了不讓牛隨意破壞莊稼，會把牛拴在一個樹樁上，讓其在固定的區域吃草。這個時候為了防止牛掙脫韁繩，會把韁繩在樹上纏繞幾圈后再打結固定，這個時候牛就很難掙脫了。其理論分析如下，簡化的受力模型如圖4所示。
圖4 光纜在卡盤上的受力模型
采用微積分的方法，根據力學的平衡關系，可以得出力FT和FTo之間的關系：
μ0為繩子與卡盤之間的靜摩擦系數。光纜是一個非均勻的組合體，受到拉伸時，其中各個組件受力大小不一致。其中加強材料受力最大，占65%。當光纜纏繞在卡盤上時，中間金屬加強芯被塑管包圍構成纜芯纏繞在卡盤上。此時這個μ0應該由各個組件共同作用構成。對于典型的GYTS光纜一般采用磷化鋼絲作為加強抗拉材料，磷化鋼絲和PPT之間摩擦系數在0.2左右，外護套和卡盤之間摩擦系數在0.4左右。綜合各組件的抗拉貢獻率，可設定μ0為0.25。則得到如表1的數據，即光纜繞半圈、一圈、一直到第五圈的拉力分布情況：
表1 光纜拉伸力與圈數對應表
從表1可以看出，在半圈的位置，拉力值就降到一半以下，一圈的位置只有五分之一了，第二圈的時候不到5%，第三圈的時候不到1%，第四圈的時候只有拉力端力值的0.19%，第五圈時降到了0.039%，意即1500N的拉力，只需要0.585N的力量就可以平衡。因此在夾持端只需要不讓光纜松弛就能達到固定的目的。
根據公式2，可以計算出當μ為0.25的時候，系數K為0.83。意味著兩個卡盤上的光纜總等效受試長度為1.66個卡盤周長。但對于不同結構的光纜，μ值的差異很大，比如中心管式的光纜，μ值就可以取0.4，對應k值為0.74。對于非金屬光纜，k值小于0.5。實際操作中不可能一種光纜規定一種計算方法，綜合考慮無論光纜在卡盤上繞多少圈，都統一設定兩個卡盤上的光纜等效受試長度為1個卡盤周長，意即現行標準中規定的計算方法。具體到三個來回和一個來回的光纜繞法，計算公式如下：
1）光纜繞三個來回時，如圖1所示：
光纜等效受試長度=平行段長度L×6+換向滑輪半圓弧×5+1個卡盤周長 公式（4）
若卡盤和換向導輪直徑相等，則有：
光纜等效受試長度=平行段長度L×6+3.5個卡盤周長 公式（5）
平行段的長度如圖1所示，為兩組換向導輪軸間中心距L。
2）光纜繞一個來回，如圖2所示：
光纜等效受試長度=平行段長度L×2+換向滑輪半圓弧×2+1個卡盤周長 公式（6）
若卡盤和換向導輪直徑相等，則有：
光纜等效受試長度=平行段長度L×6+2個卡盤周長 公式（7）
平行段的長度如圖2所示，為兩個換向導輪軸間中心距L。
四、小結
光纜拉伸試驗作為光纜機械性能測試項目中最重要的一項，光纜制造企業、檢測機構和最終用戶都非常重視。標準的完善和對標準理解的統一是正確試驗光纜拉伸性能的基本前提。文中提出的計算方法細化了國標GB/T7424中的規定，規范了光纜等效受試長度的計算，建議推廣給各實驗室統一采用。使得光纜拉伸試驗結果的評價更為準確科學，各個實驗室之間的比對和互認更為有效。
