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高强度光电综合线缆强度探讨
[摘要]特种光电综合线因其苛刻的使用环境和条件，机械性能和环境性能要求非常严格，提
高缆的强度显得尤为重要。劳纶纤维作为增强元件由于其众所周知的特性越来越受到广泛的使用，
如何提高其强度利用率成为研究关键。本文结合高强度光电综合组的研制对芳纶纤维增强的光缆
的结构和工艺进行阐述，就其应力一应变特性对光缆强度进行分析。实践表明通过有效的途径可
以提高光级的机械强度，保证光缆的安全可靠和使用寿命。
[关键词]光电综合缆；强度；芳纶纱；应力-应变特性
1前言
在通信技术迅猛发展的当今世界，悬吊光缆作为特种光缆因其独特的使用功能，在诸多领域
获得了有力地推广。该类光线不但具备普通光缆的基本特点，最显著的特征在于能够在各种苛刻
恶劣的环境和条件下承受足够大的张力负荷，而且结构尺寸小，柔软轻巧，能够持续反复地卷绕
收效。悬吊系列光电综合线不仅要确保大量数据和控制信号的光纤传输及动力电源的传输畅通无
误，而且作为缆索同时承载着高负荷的载体，因此集三大功能于一体的光电综合统的强度保障成
为研制的首要任务。
聚芳基酸胶纤维（又名劳纶纤维）作为优良的增强元件已受到科研人员的密切关注，并围绕
着芳纶纤维增强的机理和成缆工艺展开了研究和试验。在系留光缆、吊放光缆、脐带光缆、拖曳
光缆等悬吊系列缆的研制过程中，我们在强度研究方面作了大量有益的尝试和比较，实践经验告
诉我们，通过合理有效的途径可以提高劳纶纤维的强度利用率，以提高光电综合缆的机械强度。
结果表明，以芳纶纤维为主要的增强元件，能使高强度光电综合线取得比较理想的增强效果，强
度利用率得到提高。
2增强材料的选择
基于特种光缆在机械强度上的特殊要求，尤其是光电综合缆的特别需要，增强元件的选取成
为保证光缆强度的关键。
光缆增强元件材料首先考虑的是材料模量及其提供的抗张强度与材料密度的关系，即所谓的
比模量。从单丝截面尺寸和柔软性比较，以Kevlar49为典型的聚芳基酸胺纤维在保证足够光缆强
度基础上可令光缆结构尺寸小，质地轻柔。石英光纤和铜导线作为传输媒质在使用过程中受到各
种复杂应力的作用，其允许应变量要求光缆的增强材料断裂伸长率能控制在较小范围内，而材料
热膨胀系数又会影响光缆在高低温环境中光纤的附加衰减。从全介质光缆角度分析比较增强材料
的各项性能指标，以Kevlar49纤维为主的聚芳基酸胺纤维增强元件无疑是综合权衡后的最佳选择。
聚芳基酞胺增强元件主要有妙型、绳型、棒型等，国外公司最新研制的阻水型芳纶纤维和Ke
vlar FRP（即所谓的KRP）仍保持高模量、热稳定、抗蠕变等特性。纱型芳纶纤维模量最高，易
于成缆加工，KRP棒则更适于作为光缆中心增强元件，其选用取决于光缆增强的成线方式和结构
尺寸。
3应力-应变特性
3.1应力-应变曲线
光电缆的应力一应变特征主要取决于增强元件的应力一应变特征，以劳纶纤维为主的增强元
件的增强效果设计思路可从应力-应变曲线着手。我们研制的光电综合缆在高拉伸负载了持续性反
复曲绕收放，承受着拉、压、弯、扭等应力的综合作用，张力负荷从几kN至几十kN，甚至上百kN，
这么大的作用力是常规光缆难想象的，因此设计方法与之大相径庭。
从芳纶纤维的模量值和应力-应变曲线可以得出，劳纶纤维是取向良好的结晶有机聚合物，具
有较大的比模量，而这些纤维制成的纱仍呈现非线性应力一应变曲线特征，纱的种类、纱的线密
度和纱的扭绞都会影响应力- 应变曲线的非线性。据点前为材料高应变区域，试验表明在该区域
光缆的应力一应变特性也呈相似趋势，在光缆结构设计中应避免在此区域内光缆产生过大应变，
即减小光缆的初始应变。相反，在据点后的材料低应变区域内，光缆设计应尽量使光缆应变特征
接近或等效于芳纶纤维的应力-应变曲线特征。
3.2确定模量
光缆设计采用加强元件的目的在于避免将对环境敏感的光纤作为光缆的主要承载件。光纤能
承受的应变量一般小于1％，为确保光纤的正常通信和使用寿命，设计时光纤允许应变量控制在
0.1％～0.2％（视光缆的结构和具体使用情况而定）。光电综合缆中易产生形变的金属导线的允
许应变量同时也应控制在0.1％～0.2％范围之内，方能保证光电传输的可靠性和安全性。因此设
计光缆时，模量的确定必须依据各类增强纤维应力-应变特征曲线中非线性的位置和大小。
光缆设计时光纤应变伸长应小于光缆应变伸长，因此可以假设光缆的应变伸长率等同于加强
元件芳纶纤维的伸长率。指定伸长率下芳纶纤维（LASE）的承载力可以作为加强元件需用量的参
考。
光缆在使用过程中的实际应变伸长率因成统节距和结构应力松弛等原因要大于加强元件芳纶
纤维的伸长率，设计时应尽量综合考虑各种成缆工艺参数，使两者尽量接近。
4强度计算
特种光电综合缆的强度计算与常规光缆有很大区别。常规光缆的抗拉强度主要依据光线安装
敷设时较固定的某个最大允许拉伸力，正常使用时光缆很少再受外界较大的作用力。而光电综合
缆其反复曲缆敷设的使用方式决定了光缆必须在有负载下运作，同时存在许多不可预料和难以抗
拒的外界作用力，因此光电综合缆的强度可用负载强度、抗拉强度和断裂强度分别加以考虑和计
算。
4.1负载强度
负载强度可以认为是光电缆的寿命强度，即光电缆在允许应变量的范围内所具备的拉伸强度。
光缆的寿命应在10～20年以上。光电缆中的光纤与导钱其应变量必须控制在0.1％～0.2％范围内，
方能确保缆的正常使用寿命。芳纶纤维用量可按一定的经验公式进行估算。
4.2抗拉强度
抗拉强度可以认为是光电缆允许的最大拉伸强度。即光电缆在使用过程中承受的可以预计到
的最大外界作用力。在该抗拉强度下光电组仍能保持正常工作，但光电缆的寿命将受到很大影响，
所以抗拉强度的确定和强度的保证是十分关键的。
芳纶纤维用量可按下式估算：
W=100F／（Eε）
式中，W为芳纶纤维用量；F为光线抗拉强度值，单位N；E为芳纶纤维的杨氏模量（初始模量）
单位N／（0.07mm2）；ε为光纤元件的应变量（％）。
4.3断裂强度
断裂强度是光电缆在遭受不可抗拒的外界作用力下增强元件断裂失效时的极限拉伸强度。在
该断裂强度下光电传输一般难以维持正常工作，光电缆因增强元件断裂失效而遭到破坏。芳纶纤
维用量可按一定的经验公式和强度系数进行估算。
另外对于与光电线连接的光电连接器来说，还应考虑连接强度，即所谓的系统强度。此外光
电缆的强度不仅取决芳纶纤维增强元件的用量、统的结构、芳纶纤维的增强工艺、芳纶纤维的品
种、尺寸和加工处理技术以及强度安全系数等因素在光电缆的设计中也必须予以充分的考虑。根
据光电缆的实际使用情况，对上述强度计算方法进行综合权衡方可确保光电缆强度的经济高效和
安全。
5加工处理技术
有效地使用芳纶纤维及提高强度利用率有赖于合理的加工处理技术。芳纶纤维成缆时应避免
纱扭绞，因为捻度系数大于0.5的扭绞在0.5％伸长率时对纱的承载能力产生负影响。
劳纶纤维在成统加工时需要对每一股纤维进行均匀而精确的张力控制，这是为了保证光缆加
强元件均匀一致地受力，发挥每一股纤维的强度以提高光缆的强度。张力可根据成缆设备和纤维
的品种尺寸而定。尽量减少纤维与加工设备之间的接触面十分必要，应采用清洁、无裂纹、摩擦
系数小的接触表面（如无光泽氧化铬等）并避免锐角。尽量避免纤维的复绕和并纱，因为复绕会
增加纱的附加悬垂，且额外的操作工序会降低纤维的机械强度。
芳纶纤维具有优异的热稳定性和化学稳定性，长期使用温度可达160℃。尽管如此也应尽量
避免高温环境，在光缆护套挤塑时应尽快冷却。芳纶纤维易吸潮和紫外老化，储存时要置于温度
和湿度较恒定的避阴处，且塑料包封。
6增强元件成缆工艺
6.1平行式
芳纶纤维平行成缆，没有螺旋绞距，纤维直接承载，其应力一应变特征基本保持不变。然而，
当光缆弯曲扭绞时芳纶纤维极易拥挤至一边影响光缆整体结构的平衡并造成受力不均。一般在光
电缆设计时平行式成统多用于光纤元件OFCC，在这种作用场合，芳纶纤维部分承受拉伸力而主要
起缓冲作用，保护光纤不受外部压力和冲击。
6.2螺旋绞合
大多数劳纶纤维增强元件是以螺旋绞合成缆的。劳纶纤维在均匀张力控制下以一定的绞距螺
旋绞合在缆芯周围，形成芳纶加强层。芳给加强层不仅作为承载元件，而且作为缓冲层可以提高
光缆的抗压和抗冲击强度，同时在某种程度上改善光缆的温度特性。
芳纶纤维绞合工艺和光缆强度设计密切相关。芳纶纤维用量确定后，纤维的尺寸规格和绞合
层数视光缆设计强度和尺寸大小而定。同一型号芳纶纤维细纱的模量较高，SZ正反多层绞合能达
到增强元件的扭路平衡；芳纶纤维粗纱的模量相对较低，但若能一次绞合成统，不仅可以减少成
缆工序，更主要的是，可避免多层绞合时增强元件因成线牵引和上下绞盘时反复弯曲造成的结构
张力松弛，以及内外层受力不均造成强度损失。因此应尽量采用单层绞合（劳纶纤维十分柔软，
扭距平衡可以忽略）。实验表明，相同用量的芳纶纤维，采用粗纱单层绞合并直接护层挤塑的光
电综合统比多层细纱续合，其加强元件增强效果有所改善，更有利于限制光电缆的应变。
6.3编织
芳纶纤维编织和绞合的显著区别在于编织对于缆芯是对称结构而绞合不是。当轴向负荷加在
一根强度元件绞合的光缆上时，会产生缆芯围着绞合元件绕的倾向，而编织在应变状态下则倾向
于压迫缆芯。应选择适当的PPI（每英寸几个交叉，交叉指编织结构中每一相交点）或编织螺旋
节距；低PPI可使强度元件主要发挥抗拉伸的作用。
7低应变光缆强度元件设计
一般认为，当外部张力施加于光缆上时，光纤元件的轴向应变等同于光缆应变，在设计光缆
结构及强度元件时抑制光纤应变显得尤为重要。调整光纤绞距与增强元件绞距之间的关系可能使
光纤轴向应变远远小于光缆的轴向应变，从而保证光电传输的可靠性和安全性，延长光缆的使用
寿命。
光缆轴向伸长时，光纤与增强元件同时产生应变，若光缆中芳纶纤维绞距大于光纤层续距，
光缆的应变主要施加于芳纶纤维层，而光纤层应变小于芳纶纤维层，光纤应变得到抑制。由此可
见，光缆结构设计中光纤绞距应小于芳纶纤维绞距，光缆在张力作用下光纤才能有较小的应变，
这对延长光纤使用寿命十分有利，且可充分利用芳纶纤维的强度，以达到减少增强元件用量、节
约成本的目的。
应当指出的是，光纤续距并不可一味地减小，过小的螺旋半径会引起附加的光纤微弯损耗。
芳纶纤维级距也不可一味地增大，过大的螺旋半径易造成芳纶纤维在扭弯时向一侧偏移，不仅暴
露缆芯，而且会造成增强元件的受力不均匀影响光线强度。我们可以通过试验建立起光纤绞距与
劳纶纤维增强元件绞距之间的恰当关系以达到抑制光纤应变的效果。
8结论
在研制特种光电综合缆的过程中，经过分析比较增强元件及光缆应力一应变特征后，提出了
低应变光电缆芳纶纤维成缆工艺和强度计算方法。我们研制的高强度光电综合缆能够在各种环境
条件下保持良好的综合机械性能，芳纶纤维增强效果显著，强度利用率得到进一步提高。
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