室内光缆生产线的设计与研制

[摘要]本文介绍了一种用于生产室内光缆的设备，文中给出了生产线的基本组成及不同配置、主要技术指标、生产工艺流程、关键技术以及应用前景。[关键词]室内光缆、紧包光纤、生产工艺、生产线1引言随着光纤通信事业的不断深入发展，光纤到大楼(FTTB)、光纤到户(FTTH)、光纤到桌面（FTTD）、局域网（LAN）以及三网合一等多媒体传输媒介的发展，智能建筑业也将在中国掀起一股热潮，室内光缆还将在军事、高科技领域用来代替五类线，彻底改变五类线的传输距离短的历史，在未来的6-8年以后，将会占国内整个光纤使用市场的50%左右。而室内光缆结构与室外光缆有很大的不同，它不仅要具有一定的抗拉强度，还要具有直径小、柔软、易弯曲、便于布放等特点。另外，这种光缆既然是用于室内还必须具有一定的安全性能要求，即防火阻燃要求、良好的绝缘性以及抗啮齿类动物（如老鼠等）撕咬的能力。常见的室内光缆结构见图1、图2和图3、图4。ace=0src==0它们主要由非金属加强芯元件(FRP)、紧包光纤、芳纶纱（Kevlar）、阻然外护套组成。其中的FRP非金属加强芯元件可保证光缆具有一定的抗拉、抗侧压机械强度；芳纶纱一方面使光缆具有更高的抗拉机械强度，同时当光缆受到外力的冲击和侧压时，可以和紧包光纤的套塑层、阻燃外护套一起起缓冲作用，从而保护了光纤。阻燃外护套一般采用具有阻燃性能的聚氯乙烯（PVC）和阻燃聚乙烯（ZRPE）材料挤制而成。当紧包光纤数量较多或光缆外径较大时，为了使光缆具有较好的弯曲性能，可以使紧包光纤和芳纶纱在光缆内以单螺旋方式绞合在一起。2生产线的基本组成2.1生产线组成室内光缆的结构有很多种，一般按外形把它分为圆形和扁平形两大类。在圆形结构可以采用平拖式、层绞式和单元式。在平拖式结构中，一般采用紧包光纤，且光纤和非金属加强构件（芳纶纱）在光缆中不绞合，而是直接平放，多用于小芯数室内光缆；层绞式结构也多采用紧包光纤，一般采用SZ方式进行绞合，用于多芯数室内光缆；单元式结构适用于大芯数室内光缆，由多根多芯室内光缆绕加强芯绞合而成。扁平形结构多采用光纤带作缆芯，外面均匀绕包一层芳纶纱加强件，再挤制外护套。本文主要讨论平拖式和层绞式结构的设备的研制，它们主要由以下部件组成：FRP非金属加强芯放线装置、紧包光纤放线装置、芳纶纱放线装置、挤塑机及机头、水槽及水箱、吹干装置、线径测试仪、喷码印字机、牵引装置、收线张力及收线装置及电气控制系统。它们部件组成的主要不同是，在平拖式结构中，紧包光纤和芳纶纱采用直接平放；在层绞式结构中，紧包光纤和芳纶纱采用旋转放线，为了不使紧包光纤在旋转放线时被扭断，紧包光纤放线单元在旋转放线的同时应退扭。根据缆的不同结构，也可组成不同的生产线布置。生产线布局见图5、图6。1．非加强芯放线(FRP);2紧包光纤放线;3芳纶纱放线;4挤塑机及机头;5电气控制系;6.热水槽;7.热水箱;8.冷水槽；9冷水箱.10;吹干装置;11线径测试仪;12.喷码印字机;13;牵引装置;14;收线张力;15.收线装置2.2各部件的基本结构及原理2.2.1非金属加强芯(FRP)放线装置此放线装置与传统的放线结构相似，采用液压摆臂式结构，线盘的升降由液压机构自动实现，线盘的夹紧采用操作快捷方便的无轴顶尖式机构；芯线的放线张力由磁粉制动器控制，调整磁粉制动器电流大小就可以控制芯线的放线张力。在单芯和两芯室内光缆的结构中不采用此部件，此部件多用于层绞式结构的室内光缆中。2.2.2紧包光纤放线装置在平拖式结构中，由交流变频电机通过蜗轮蜗杆减速器驱动放线盘，实现主动放线；摆臂式张力控制器控制调整放线电机的转速，实现张力在生产过程中的稳定；放线张力的大小通过调整配重砝码的大小或其在摆臂上的位置来满足生产工艺的要求。在层绞式结构中，采用旋转绞笼式放线，由12个紧包光纤放线单元、行星退扭机构、旋转绞体、气动刹车装置等组成；每个放线单元均为独立的主动放线单元，每个放线单元均有一套张力控制系统，通过张力传感器与电机控制器形成独立闭环控制系统，确保每根紧包光纤的张力基本一致。在平拖式结构中，由于紧包光纤不经过绞合，所形成的缆较层绞式结构的缆，在弯曲性能上差很多，但旋转绞笼放线的缺点是，放线速度低，成本高。2.2.3芳纶纱放线装置在平拖式结构中，每组芳纶纱通过导向轮导至并线单元，然后通过并线单元进入挤出机机头，芳纶纱的张力由机械摩擦带式或磁粉制动器共同控制，通过调整弹簧或磁粉制动器电流大小就可以控制的芳纶纱放线张力。在层绞式结构中，采用旋转绞盘式结构，它由24个芳纶纱筒夹紧单元、张力机构、导向装置、并线模、刹车以装置及旋转动力源等组成，通过机械张力和磁粉制动器两级张力来控制芳纶纱的张力，以保证在生产过程中芳纶纱放线张力的变化很小，此种结构的缆在弯曲性能、抗拉及抗侧压方面优于平拖结构的缆，但旋转绞盘放线的缺点是，放线速度低，成本高。2.2.4挤塑机及机头挤塑机采用SJ45*25,螺杆长径比为25：1的挤塑机，并配有上料装置、烘干装置以及色母料混料装置；机头采用十字自定芯机头；温控系统采用日本岛电公司生产的SR73型智能单回路温度控制仪（自由式输入，可方便的与任何热电偶及热电阻连接），配合先锋公司的固态继电器组成；本系统具有上、下限报警，超温后，自动启动风机冷却等功能。2.2.5水槽、水箱生产线配有4m活动温水槽、0.2m2温水箱和12m冷水槽、冷却水箱，均采用不锈钢制作，中间有保温层，并有水温自动控制系统，控制精度±2℃。水槽和水箱内的热水或冷水可循环利用，由此节约能源和用水量。2.2.6吹干装置吹干装置采用哈夫式结构，固定在冷却水槽的最后一个下水斗上，这样可保证吹出的水全部流向下水斗内，具有吹干效果好、用气量小和噪声低的优点。2.2.7线径测试仪外购进口线径测试仪，精度为±0.001mm。2.2.8喷码印字机外购进口喷码印字机，确保字体清楚耐磨。2.2.9牵引装置轮式压带牵引由Ф500mm牵引轮、皮带压紧装置、计米装置以及动力装置组成。牵引动力由交流变频电机通过减速器驱动实现，气缸调节皮带的张紧。为确保足够大的牵引力、光缆在牵引轮上不打滑以及计米准确，我们选用进口柔软且耐磨的牵引带。2.2.10收线张力控制器为了实现收线和牵引的同步，该机配备了储线张力控制装置。该装置由两导柱和固定导轮以及滑动导轮组成，最大储线长度为10米，收线张力可通过改变配重砝码的重量自由调节，张力范围在5N～50N；通过滑轮的上下滑动，可带动电位器的转动来控制收线电机的转速，从而实现速度的同步。2.2.11.收排线装置在单芯和两芯室内光缆的结构中，我们设计了盘走式收排线装置，线盘顶尖为无轴式，由气缸将两顶尖夹紧线盘并成为一个整体，电机带动丝杆旋转使收线盘行走，以实现收排线，从而避免光缆发生水平方向的弯曲，并设计了张力舞蹈器来控制收线张力，使张力稳定可靠。在有非金属加强芯(FRP)结构的缆中，由于所需的收线动力较大，收线装置采用液压摆臂式结构，由收线电机、减速器、线盘夹紧机构、排线机构以及升降机构组成。2.2.12电气控制系统控制系统采用国际流行的工业计算机与可编程序控制器相结合的方式进行生产线控制，所有的操作通过对计算机屏幕的操作来实现的，计算机与西门子S7300系列可编程控制器（PLC）通过RS232C口进行串口通讯，所有按钮操作指令及各个电机的给定信号在计算机中进行处理后，发送到可编程控制器中执行，通过可编程控制器功能模块分送到生产线各执行电路中,从而使各电机按预定的逻辑运转。为便于操作，工控机采用台湾研化公司的586/133工业计算机配合17寸大屏幕，使图形界面显示效果更好。生产线既可联动，又可以单独操作,具有各功能显示、故障报警、急停、计算机直观显示工艺参数等特点。整条生产线自动化程度高，操作方便，运行稳定（如图7）。3生产线主要技术指标生产线的主要技术指标分别为：生产线速度：120m/min(平拖放线),60m/min(旋转放线)；非金属加强芯(FRP)放线张力：10～60N；非金属加强芯放线盘规格：φ630～φ800mm；紧包光纤直径：φ0.60～φ0.90mm(紧包光纤)；紧包光纤放线张力：0.5N～4N±0.2N；紧包光纤线盘规格：φ400mm；芳纶纱筒的尺寸:φ94×φ290×290mm；芳纶纱张力：0.5N～10N±0.05N；软光缆直径：φ3～φ8mm±0.05mm；收线张力：5～50N；收线线盘规格：φ800～φ1250mm；附加损耗:≤0.04dB/KM。4生产工艺流程4.1工艺流程4.2.生产流程此生产流程是指使用本生产线从紧包光纤到室内光缆的步骤,首先将阻燃护套料抽入挤塑机料斗内，把色母料加入色母料混料斗内，设定好挤塑料烘干温度以及挤塑机和机头、温水箱的加热温度和冷水箱的温度，根据缆的工艺要求分别设定FRP加强芯张力、紧包光纤、芳纶纱放线张力(以及绞合节距)、收线张力的值。达到设定的温度后，将FRP加强芯、紧包光纤、芳纶纱从各自的线盘上拉出，依次穿过各并线模，与牵引线扎紧后，穿过模芯、模套从机头中拉出，将缆芯同挤制外护套一起经过温水槽、冷水槽、吹干装置、线径测试仪和喷码印字机送至牵引装置上，经过收线张力装置最后把光缆卷绕在收线盘上，控制系统状态设定为联动状态至此进入正常的生产状态。到了所需生产段长后，计算机会给出信号，结束整个生产。5技术与工艺的核心5.1紧包光纤放线张力的控制因为紧包光纤的张力大小、均匀性会影响光纤的传输性能及机械性能指标。在平拖式结构中，通过张力控制器控制及调整放线电机的转速，实现张力在生产过程中的稳定；放线张力的大小通过调整配重砝码的大小或其在摆臂上的位置来满足生产工艺的要求，张力调整简易方便，但不便于在线监控。在层绞式结构中，放出的紧包光纤经过与传感器相连的张力轮，力传感器将张力信号送到放线电机控制器内，控制器将这一信号与设定张力信号进行比较，如果传感器信号不同于设定值，控制器将调整放线电机驱动线盘的速度，以改变放线的张力与它相适应，从而实现张力的闭环控制系统，右面是此装置简易控制图（如图8）5.2芳纶纱张力的控制芳纶纱张力大小以及它们之间张力的均匀性和一致性，也会严重影响光缆的机械性能。芳纶纱的张力由机械摩擦带式和磁粉制动器共同控制，通过调整弹簧或磁粉制动器电流大小就可以控制的芳纶纱放线张力。经过两级摩擦阻力，最终使芳纶纱在整个生产过程中以较小的张力变化量从纱筒中放出。右面是此装置简易控制图（如图9）。图中1为摩擦带，2为摩擦轮，3为纱筒，4为磁粉制动器，5为导轮组5.3模具的设计模具的结构对生产速度、缆的外圆圆整度、表面光洁度以及缆芯是否偏心，都有很大的影响。为避免出现圆锥撕裂、针孔、裂缝、松包等缺陷，配模系数的选取在模具的设计中占有很重要的地位。首先应保证配模系数符合要求，在实际生产中，护套料我们选用阻燃聚氯乙烯（ZPVC），配模系数一般在1～1.1之间；其次，是考虑拉伸比的选取，对于阻燃聚氯乙烯，一般可在1.2～5之间,我们常在2～3之间选取。下面为圆形缆及扁形缆的模具结构示意简图（如图10、图11）。6结束语此生产线去年已通过科技成果鉴定，获得安徽省科技成果三等奖，目前已销售到国内二十几个光缆厂家，创产值800余万元，利润188余万元，利税85余万元，创造了良好的经济效益和社会效益。本生产线自动化程度高，性能稳定，技术指标已达到国际九十年代后期先进水平，而价格仅为进口设备的1/10左右，具有明显的性能价格比优势，随着光纤到搂、光纤到户的发展，市场前景非常广阔。限于笔者专业知识和实践经验，文中错误和不足之处在所难免，敬请专家不吝指正。