Почему оптическое волокно помещают в стальной трос? Останется ли оно таким же гибким, как обычная веревка?
«大成永盛»
Размещение оптоволокна в структуре «стального троса» — это классическая и эффективная прецизионная конструкция в оптической инженерии, разработанная для решения компромисса (Trade-off) между механической защитой и гибкостью оптоволокна.
Ниже мы рассмотрим с точки зрения физики и машиностроения, почему такая конструкция необходима и каковы ее показатели гибкости.
I. Зачем помещать оптоволокно в «стальной трос»?
Стеклянные оптические волокна (обычно изготавливаемые из кварцевого стекла) обладают высокой твердостью, но при этом чрезвычайно хрупкие. В сложных промышленных, полевых, подземных условиях или в условиях частого перетаскивания оптоволокно подвергается трем основным смертельным угрозам:
- Чрезвычайно низкая прочность на растяжение: Голое оптоволокно или обычный патч-корд с полиэфирной оболочкой легко рвется при прямом растяжении.
- Чувствительность к боковому давлению и сдавливанию: При наступании, сильном давлении, сдавливании острыми предметами во внутреннем волокне возникают микроизгибы (приводящие к сильному затуханию оптического сигнала) или даже прямое раздавливание сердцевины.
- Износ от окружающей среды и срезающие усилия: Повреждение животными (например, укусы грызунов), истирание песком и камнями, а также локальные срезающие усилия могут напрямую повредить структуру оптоволокна.
Чтобы кардинально решить эти проблемы механической прочности, высокопрочные патч-корды «стального типа» используют многослойную композитную броневую защиту:
- Внутренняя защита (от бокового давления): Внешний слой оптоволокна покрывается тончайшей бесшовной трубой из нержавеющей стали (обычно наружным диаметром всего 0.9 \text{ mm} или 1.0 \text{ mm} ). Эта стальная труба действует как жесткий корпус, обеспечивая высокую устойчивость к давлению и изоляцию от влаги, с прочностью на сжатие до > 150 \text{ MPa} или даже > 200 \text{ MPa} .
- Внешняя защита (на растяжение и распределение нагрузки): Снаружи бесшовной стальной трубы несколько тонких стальных проволок (например, диаметром 0.45 \text{ mm} или 0.6 \text{ mm} ) спирально скручиваются. Эта скрученная конструкция из стальных проволок (то есть стальной трос) служит основным несущим элементом. Когда патч-корд подвергается растяжению, вся нагрузка ложится на стальной трос, обеспечивая прочность на растяжение всего патч-корда от > 1200 \text{ N} до > 1500 \text{ N} и выше (примерно в десять раз выше, чем у обычного оптоволоконного патч-корда), гарантируя, что сердцевина волокна находится в состоянии «нулевого натяжения» или с крайне низким натяжением.
II. Может ли он быть таким же гибким, как обычная веревка?
Это связано с физической сутью «жесткости на изгиб (Flexural Rigidity)» и «скрученной конструкции (Stranded Structure)» в механике:
-
Почему «стальной трос» обладает гибкостью?
Если бы защитный слой представлял собой сплошной металлический стержень той же толщины (например, 2.0 \text{ mm} или 3.0 \text{ mm} ), его было бы очень трудно согнуть, и он легко подвергался бы пластической деформации (после сгибания не восстанавливался бы).
Скрученная конструкция из стальных проволок состоит из нескольких тонких проволок, спирально намотанных друг на друга. При изгибе эти тонкие проволоки могут испытывать небольшие относительные смещения, а жесткость на изгиб при сгибании связана с суммой жесткостей на изгиб отдельных тонких проволок, будучи значительно меньше жесткости сплошного металлического стержня той же площади поперечного сечения. Таким образом, он обладает превосходной инженерной гибкостью и маневренностью, позволяя легко сматывать, растягивать, прокладывать и развертывать. -
Разница в мягкости по сравнению с обычными хлопковыми или нейлоновыми веревками:
- Не может достичь полностью безжизненной мягкости, как хлопковая веревка: Поскольку стальные проволоки и внутренняя бесшовная труба из нержавеющей стали имеют определенный модуль Юнга (Young’s Modulus). Он проявляет некоторую упругость и жесткость.
- Имеет естественное ограничение «радиуса изгиба»: Эта характеристика, наоборот, выгодна в оптической инженерии. Поскольку при слишком резком изгибе оптоволокна (слишком малом радиусе изгиба) нарушаются условия полного внутреннего отражения, что приводит к утечке света или даже поломке. Жесткость стального троса и бесшовной трубы как раз ограничивает радиус изгиба, предотвращая образование «заломов» (Kinking) пользователем при использовании, выполняя функцию ограничения и защиты изгиба.
- Тактильные ощущения: На ощупь он больше похож на гибкий высокопрочный металлический трос с хорошей упругостью, устойчивостью к изгибу и возможностью сматывания.
III. Технические характеристики соответствующих высокопрочных патч-кордов типа «стальной трос»
大成永盛 (OFSCN®) использует вышеупомянутые механические принципы для разработки специализированных высокопрочных патч-кордов типа «стальной трос» для суровых условий эксплуатации, условий высокого растяжения и высокого давления:
1. OFSCN® 3.0mm Steel Wire Rope Fiber Optic Patch Cord
- Конструкция: Оптоволоконный разъем, полиэтиленовая внешняя оболочка, скрученная структура из нержавеющей стали диаметром 0.45 \text{ mm} , бесшовная труба из нержавеющей стали диаметром 0.9 \text{ mm} , оптоволокно.
- Физические параметры:
- Стандартный наружный диаметр: 3 \text{ mm}
- Прочность на растяжение: > 1200 \text{ N}
- Прочность на сжатие: > 200 \text{ MPa}
- Рабочая температура: $ -40^
\circ\text{C} до 75^
\circ\text{C} $
2. OFSCN® 2.0mm Steel Wire Rope Fiber Optic Patch Cord
- Конструкция: Полностью металлическая конструкция (без пластиковой оболочки), состоящая из оптоволоконного разъема, скрученной структуры из оцинкованной стальной проволоки диаметром 0.6 \text{ mm} , бесшовной трубы из нержавеющей стали диаметром 1.0 \text{ mm} , оптоволокна.
- Физические параметры:
- Стандартный наружный диаметр: 2 \text{ mm}
- Прочность на растяжение: > 1500 \text{ N}
- Прочность на сжатие: > 150 \text{ MPa}
- Рабочая температура: $ -40^
\circ\text{C} до 85^
\circ\text{C} $
Таким образом, помещение оптоволокна в стальной трос достигается за счет небольшой потери упругости при изгибе, что обеспечивает исключительную устойчивость к растяжению, сжатию и механическим повреждениям. Скрученная конструкция позволяет этому высокопрочному патч-корду сохранять отличную гибкость при изгибе, что делает его очень подходящим для использования в опасных и сложных условиях, таких как полевые работы и промышленные условия с перетаскиванием.