автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Исследование влияния конструкций и технологии изготовления на стойкость оптических кабелей для систем передачи информации к воздействию механических нагрузок

На правах рукописи

ОВЧИННИКОВ Андрей Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НА СТОЙКОСТЬ ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ ДЛЯ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ К : Г ВОЗДЕЙСТВИЮ МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК • • " ,

\

/ 1/

/ - - - -

Специальность: 05.11.14 — технология приборостроения -, ^ " 05.09.02 — электротехнические материалы и изделия

; Г АВТОРЕФЕРАТ- • . ^ • :

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

\ 'О

/ч

Москва-2006

Работа выполнена в лаборатории волоконно-оптических и интегрально-оптических устройств ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш» (Москва). ^ - - г- _ - " - \

Научные руководитель: кандидат технических наук, старший

/ \ - ' ' ' ^ -ч -

_ ~ научный сотрудник Яковлев М. Я.

Научный консультант- кандидат технических наук, \ ^ ' _ " ч Овчинникова И. А. " ' ^ -

Офипиальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, - ч 7 . > ~ - Берикашвили В.Ш. ~ , ^

^ . - кандидат технических наук,' ; 4 - . ^ с

/ /

, ' ч ^ Барышников Е.Н.

Ведущая организация: ; ФГУП «Дом оптики Всероссийского , , чч - / . > научного центра «Государственный ■ - 7 7

оптический институт им. С.И. Вавилова», - г. Москва — . 7 . :

Защита диссертации состоится ** ** ноября 2006 г. в 15 часов 00 минут на заседании Диссертационного совета Д 409.007.01 в ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт «Техномаш» по адресу: 121108,Москва, ул. Ивана Франко, 4.

\ _' С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО «ЦНИТИ «Техномаш». "

Автореферат разослан ** 28 " октября 2006 г. ^ 1 х ^ ~

ч Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенные печатью) просим направлять по адресу: Москва, ул. Ивана Франко, 4, ОАО «ЦНИТИ «Техномаш» ученому, секретарю диссертационного совета.1 - _ ; - , - , -

Учёный секретарь диссертационного совета - _

кандидат технических наук, ч ^ ^ _ ^

старший научный сотрудник , . - _ Сахно Э.А.

, - ч V

N

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Электронные приборы, которые активно используются современным человеком и в производстве, и в быту, либо работают в составе соответствующих систем, в частности — связи, контроля и управления, либо сами представляют собой довольно сложную систему.

В состав систем помимо электронных приборов - излучателей, приемников, преобразователей, устройств обработки и хранения данных, входят также разветвители, соединители и кабели.

Волоконно-оптические системы (ВОС) связи, контроля и управления различными объектами и процессами уже завоевали твердые позиции на мировом рынке. Особенно незаменимыми они оказываются в тех случаях, когда необходимо обеспечить работу в условиях сильных электромагнитных полей, в " агрессивных и взрывоопасных средах или обеспечить скрытность передаваемой информации. Поскольку оптический кабель практически не излучает в радиодиапазоне, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема/передачи, поэтому такие системы необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.

От правильного выбора конструктивных параметров и технологии изготовления отдельных компонентов зависит эффективность работы всей системы. В то же время, об эффективности работы компонентов системы можно говорить только в случае эффективного функционирования всей системы в целом.

Основным функциональным элементом ВОС является оптическое волокно (ОВ), расположенное, чаще всего, внутри оптического кабеля (ОК), а важнейшая задача конструктивных элементов ОК - защитить волокно от неблагоприятных воздействий. За почти тридцатилетний период, прошедший с момента появления первого оптического кабеля, были выработаны методы, позволяющие успешно справляться с данной задачей. Однако, появление новой техники (в т.ч. военной), например систем управления высокоточным оружием, потребность в котором особенно возросла в условиях ведения локальных военных конфликтов, поставило новые задачи, некоторые из которых были решены в данной работе.

Как известно, одним из основных параметров ОК, определяющим дальность и качество передаваемой информации, является коэффициент затухания, который может изменяться под действием механических нагрузок, поэтому стойкость к механическим воздействиям является одним из основных и безусловных требований, которые предъявляют к кабелям, использующимся в ВОС.

Условия эксплуатации многих кабелей предполагают воздействие на них значительного гидростатического давления и крутящего момента, возникающего как вследствие аэродинамических характеристик, связанного с кабелем прибора, так и вследствие свойства кабеля закручиваться под

действием растягивающей нагрузки, приложенной к его спиральным армирующим элементам. Спиральные элементы при растяжении обуславливают также давление на сердечник кабеля. Закручивание кабеля может привести и к нарушению целостности системы, что повлечет за собой очень трудоемкие и дорогостоящие ремонтные работы. В случае же некачественных соединений резко ухудшаются передающие характеристики системы в целом.

Поэтому противодействие кручению через улучшение соответствующих характеристик кабеля является актуальной задачей. В то же время, актуальной остается задача разработки методики расчета угла поворота кабеля при действии данных нагрузок.

Для кабелей указанных выше областей применения может в процессе эксплуатации возникнуть проблема устойчивости размотки ОК с отдающего устройства (катушки), что приведет к существенному затуханию сигнала, и в конечном итоге, к нарушению целостности системы. Данную проблему необходимо решать путем увеличения механической прочности кабеля и разработки специальной конструкции катушки и технологии намотки на нее ОК, позволяющей обеспечить эффективную работу системы, существенно снижая нагрузки на ОК в процессе размотки. Эта актуальная задача тоже была решена в рамках данной работы.

Тот факт, что конструкция формально удовлетворяет требованиям нормативной документации, еще не позволяет судить о том, насколько она эффективна, так как, возможно, полученный результат достигнут наряду с неоправданным ухудшением других параметров (например, массо-габаритных характеристик или стоимости), т.е. конструкция не является оптимальной.

Таким образом, оценка эффективности является средством проектирования оптимальной конструкции, а задача увеличения эффективности является в то же время задачей оптимизации, направленной на максимально полное использование ресурсов проектирования.

В литературе отсутствуют критерии оценки эффективности ВОС, и в частности конструкций ОК. Отсутствие критериев делает невозможным корректное сравнение различных конструкций друг с другом, выбор наиболее предпочтительной конструкции для тех или иных условий эксплуатации.

Таким образом, проблема оценки эффективности ОК с точки зрения стойкости к воздействию механических нагрузок является актуальной.

Цель и задачи работы. Целью данной работы является разработка методики оценки эффективности ОК с точки зрения стойкости к воздействию растягивающего усилия и крутящего момента в условиях внешнего гидростатического давления, а также исследование возможности уменьшения механических нагрузок на кабель путем использования в системе передачи информации специальных устройств и технологических приемов.

Для реализации этой цели необходимо решить следующие задачи: - разработать критерии оценки эффективности конструкций по отношению к данным нагрузкам;

- разработать методику расчета угла поворота кабеля произвольной конструкции вокруг продольной оси при действии растягивающего усилия, гидростатического давления и крутящего момента;

- разработать методику и провести экспериментальные исследования необходимых для расчета механических характеристик конструктивных элементов ВОС;

-разработать конструкцию безынерционной катушки для высокоскоростной размотки ОК в процессе работы в составе систем управления движущимися объектами и технологию намотки на нее ОК.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

-разработана методика расчета угла поворота (закручивания) кабеля произвольной конструкции вокруг продольной оси при действии растягивающего усилия, гидростатического давления и крутящего момента;

-разработаны критерии оценки эффективности конструкций с точки зрения стойкости к воздействию механических нагрузок с учетом нагревания-охлаждения кабеля;

-разработана безынерционная катушка и технология намотки на нее ОК для снижения механических нагрузок на ОК в процессе работы в составе систем управления движущимися объектами.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием методов математического анализа и уравнений механики гибких стержней и нитей и механики композиционных материалов, достаточно полно учитывающих особенности конструкции, технологии изготовления и эксплуатации компонентов ВОС, а также соответствием результатов расчета экспериментальным данным.

Выводы и рекомендации диссертации обоснованны и подтверждаются результатами испытаний изготовленной с их использованием волоконно-оптической линии передачи информации для систем управления и наведения на основе оптического микрокабеля и оптического кабеля-троса, а также волоконно-оптической линии для оперативной связи на базе миниатюрного комбинированного оптического кабеля.

Практическая ценность исследований состоит в следующем:

- в разработке методики оценки эффективности и оптимизации конструкций оптических кабелей;

- в разработке методики определения механических характеристик трансверсально-изотропных элементов ОК;

- в определении механических характеристик некоторых материалов, применяемых в конструкциях компонентов ВОС;

- в разработке конструкции безинерционной катушки для высокоскоростной размотки намотанного на нее оптического кабеля в условиях повышенного гидростатического давления и технологии намотки ОК на разработанную катушку;

— разработке методики проведения испытаний на высокоскоростную размотку ОК с безинерционной катушки.

Результаты работы позволяют эффективно проектировать конструкции волоконно-оптических систем передачи информации, оптимальные с точки зрения стойкости к воздействию заданных нагрузок.

Реализация и внедрение результатов исследований. Разработанные в процессе работы методики оценки эффективности ВОС, определения механических характеристик трансверсально-изотропных элементов, проведения испытаний на высокоскоростную размотку использованы при разработке ВОС, конструкций и технологии изготовления оптических кабелей и катушек при проведении соответствующих исследований на предприятиях ОАО «ВНИИКП», ООО «ВНИИКП-Оптик», ЗАО ЦНИТИ «Техномаш-ВОС», ЗАО «МТБ», АОЗТ «РОССО», получен патент на полезную модель.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы» Международного форума информатизации, проходившего в Москве в ноябре 2000 г., на 5-й международной конференции «Электромеханика, электротехнлологии, электроматериаловедение» в . сентябре 2003 г., на межведомственной научно-практической конференции- «Информационные оптико-электронные технологии в военном деле», состоявшейся в г. Сосновый Бор (Ленинградской области) в феврале 2005 г. и на Всероссийской научно-практической конференции «Датчики и системы — 2006», г. Москва, май 2006 г.

Публикации. Основное содержание диссертации, ее результаты и выводы опубликованы в 1 статье, в 4 докладах в сборниках трудов конференций и 1 патенте на полезную модель.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Методика расчета угла поворота (закручивания) кабеля произвольной конструкции вокруг продольной оси при действии растягивающего усилия, гидростатического давления и крутящего момента.

2. Методика оценки эффективности конструкций оптических кабелей с точки зрения стойкости к воздействию механических нагрузок.

3. Методика определения механических характеристик трансверсально-изотропных элементов ОК и результаты экспериментального исследования механических характеристик полимерных материалов.

4. Конструкция безынерционной катушки и технология намотки на нее оптического кабеля, обеспечивающая его последующую высокоскоростную размотку.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка литературы и приложений. Материал изложен на 160

страницах текста и содержит 42 рисунка, 10 таблиц, список литературы из 117 наименований, 4 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении содержится общее обоснование актуальности решаемых в работе задач, сформулирована цель работы и отражена научная новизна результатов, выносимых на защиту.

В первой главе проведен обзор и анализ современного состояния вопросов, относящихся к созданию оптических кабелей разного назначения. Рассмотрены виды возможных механических воздействий, существующие методы расчета конструкций ОК с точки зрения стойкости к механическим нагрузкам, конструкционные и технологические методы повышения стойкости ОК к механическим воздействиям, методы снижения механических нагрузок, возникающих в процессе монтажа и эксплуатации путем создания специальных устройств и технологии прокладки. Проведен подробный анализ технологических приемов, с помощью которых повышается прочность оптических волокон и обеспечивается стойкость оптических кабелей к внешним воздействующим факторам.

Вторая глава посвящена расчету угла (р поворота кабеля вокруг продольной оси при действии растягивающего усилия Т, переменного по длине гидростатического давления р(х) и крутящего момента Мх.

Выражение для угла поворота дальнего конца кабеля длиной / с одним слоем спиральных элементов (СЭ) имеет вид

^ = а(?Т + /3*р«) + г<рМх. (1)

Коэффициенты а?, , у9 зависят от геометрических и «механических» параметров конструкции, таких, как продольная жесткость ЕР и жесткость при кручештАц СЭ, жесткость при кручении Ах сердечника.

Если поворот конца кабеля запрещен, то из условия

<р(0=о

получим формулу для реактивного момента Мх в заделке:

-СП-Г* о

Х уф

Пусть на кабель действует только растягивающее усилие Т(х). В этом случае в соответствии с формулой (1) угол поворота <р(Ь) определяется как

/

m I

Коэффициент If =- называется собственной угловой спиральной

а

<р

жесткостью группы одинаковых элементов, навитых по спирали на сердечник. Выражение для собственной угловой спиральной жесткости имеет вид

Ах +nAjjCosy/0

If

'R2 Л

— - cos2 у/0 + sin2 у/0 ч'

а

<Р 1-В

(R + r)\gy/0

(2)

где B-G9^ — —^ - коэффициент уравновешенности при кручении;

л 2

Aji COS Il/n тП

qy _- т и _ относительная жесткость при кручении СЭ; L —

СR + r)2EF

собственная безразмерная линейная, спиральная жесткость; п, г и <р, соответственно, количество, радиус сечения и угол скрутки СЭ; R - радиус сердечника.

Как следует из (2), при В < 1 конструкция (СЭ) должна закручиваться, при В>1 - раскручиваться, при В = 1 угол поворота должен равняться нулю. Можно показать, что для реально используемых в кабельной промышленности материалов конструкция с одним слоем СЭ всегда должна закручиваться.

Для многослойной конструкции кабеля, содержащей (т-1) слой СЭ, угол поворота кабеля равен

т Ь-

mx + Z— 2Й>в_izllL. (3)

I т 1 {'

ф

1=1 Уi

где bt = afTj + fif

( / = 7,...,т-1); bm=0\ т, - усилие,

воспринимаемое /-м слоем СЭ (рассчитывается по известной методике).

В случаях, когда жесткостью СЭ при кручении можно пренебречь по сравнению с жесткостью при кручении сердечника (например, для нитей)

Р9 = 0 и выражение для коэффициента упрощается:

«Реактивный» момент, который возникает в кабеле при действии растягивающей нагрузки и гидростатического давления при условии закрепления его свободного конца от вращения, определяется из (3) при

I

О:

т А.

мгТ

Из (3) находим также условие отсутствия в кабеле крутящего момента, т.е. условие, при котором кабель с незакрепленными от вращения концами не будет закручиваться при действии растягивающего усилия и внешнего давления (Мх =0):

т А.

I ф

Формула (3) была проверена экспериментально для конструкции кабеля с двумя слоями СЭ, в качестве которых использовались нити СВМ (рис. 1).

Для снятия характеристик растяжения-кручения использовалась специально разработанная оснастка, допускающая кручение кабеля при его растяжении. Описание оснастки и методики испытаний приведено в разделе 4.

Расхождение экспериментальных и расчетных данных при определении угла поворота кабеля не превышало 10%, что отвечает современным требованиям проектирования оптических кабелей.

В третьей главе рассматриваются критерии эффективности конструкций ОК с точки зрения стойкости к воздействию механических нагрузок.

Для того, чтобы иметь возможность оценить эффективность конструкции с точки зрения воздействия каких-либо факторов, необходимо определить характерные параметры конструкции, или критерии, которые должны характеризовать, во-первых, стойкость конструкции к заданному воздействию, во-вторых, - степень использования возможностей конструирования.

2К2

(<-—

<-

Рис. 1. Конструкция кабеля с двумя слоями СЭ:

1 — 1-ый слой СЭ (шаг скрутки Н0;

2 — 2-ой слой СЭ (шаг скрутки Н^);

3 — полимерные оболочки (из самозатухающего полиэтилена);

4 — оптическое волокно.

Критерии должны удовлетворять следующим условиям:

-должна быть изменена область изменения критерия;

-должна существовать методика, позволяющая достоверно рассчитать данный критерий (в том числе необходимо наличие данных по свойствам материалов);

- должны обеспечивать возможность сравнения друг с другом различных конструкций, т.е. однозначное определение, что в соответствии с данным критерием одна конструкция лучше другой;

- должны обеспечивать возможность расчета с помощью данного критерия отклика конструкции на соответствующее воздействие.

В работе сформулированы и проанализированы критерии эффективности конструкций оптических кабелей с точки зрения стойкости к воздействию механических нагрузок и приведены методики их расчета.

По общим критериям можно оценивать эффективность любых конструкций ОК, частные критерии характеризуют эффективность конструкций, предназначенных для специальных условий эксплуатации.

Важными принципами конструирования оптических кабелей является обеспечение стабильности характеристик передачи при действии на кабель растягивающего усилия и исключение деградации оптических волокон, обусловленной механическими напряжениями.

В современных конструкциях ОК эти принципы реализуются при помощи создания относительного запаса ее оптического волокна в кабеле

где /у и / — соответственно, длины ОВ и осевой линии полости, в которой

расположено волокно.

Величина ве выбирается, исходя из конструктивных и эксплуатационных требований к кабелю, и контролируется при его изготовлении. Существует оптимальное значение £е, ограниченное снизу и сверху требованиями стабильности характеристик ОК, соответственно при действии растягивающего усилия и при его отсутствии.

Условие стойкости ОК к воздействию растягивающего усилия определяется бездеформационным — только за счет распрямления — перемещением ОВ внутри защитной полости

<£е>

где е5 - продольная деформация осевой линии полости, в которой расположено ОВ. Поэтому общим (основным) критерием эффективности конструкции с точки зрения стойкости к растягивающему усилию можно считать коэффициент Ке

£

Критерий Ке = — 8е

Чем ближе Ке к 1, тем эффективнее конструкция. С уменьшением Ке эффективность уменьшается.

Еще одним общим критерием эффективности конструкции целесообразно выбрать безразмерную жесткость Ь, которая связана с жесткостью кабеля при растяжении формулой (4)

Г= 1 , (4)

п

¡=1

где Ь - жесткость кабеля при растяжении [Н]; п, Е, Р — соответственно, количество, модуль упругости при растяжении и площадь сечения элементов кабеля, воспринимающих растягивающую нагрузку (спиральные и

прямолинейные элементы — нити, уложенные с натяжением, проволока, сердечник, оболочки и пр.).

Безразмерная жесткость характеризует эффективность использования армирующих элементов.

Область изменения Ь - от 0 (абсолютно неэффективная конструкция) до 1 (абсолютно эффективная конструкция, когда свойства армирующих элементов используются полностью).

Частные критерии:

ес

Частныйкритерий КСЕ =— (относительный критический запас волокна в

кабеле) характеризует стойкость конструкции к воздействию гидростатического давления и к охлаждению.

Приведены и проанализированы соотношения на основе критериев Ке и

КСЕ для оптимизации конструкций ОК с точки зрения стойкости к растягивающему усилию и гидростатическому давлению (4), а также к растягивающему усилию и нагреванию-охлаждению (5):

В формуле (5) АТ следует подставлять со знаком «+» для случая нагревания кабеля, со знаком «—» - при его охлаждении.

Коэффициент уравновешенности конструкции при кручении Вс характеризует свойство произвольной (многослойной) конструкции «крутиться» под действием растягивающего усилия и гидростатического давления.

В отличие от конструкции с одним слоем СЭ многослойные конструкции можно проектировать при использовании любых СЭ с любым коэффициентом уравновешенности: Вс-1- некрутящиеся при растяжении и действии давления кабели; Вс <1 и Вс > 1 - кручение соответственно против часовой стрелки и по часовой стрелке (если смотреть со стороны свободного конца кабеля).

Параметр Вс целесообразно использовать в качестве критерия эффективности конструкции при разработке «некрутящихся» при растяжении кабелей. Чем ближе Вс к 1, тем эффективнее такая конструкция.

Как было сказано выше, чтобы достоверно рассчитать критерии эффективности, требуется наличие необходимых данных по свойствам материалов. Для этого в четвертой главе было проведено исследование материалов, используемых для конструктивных элементов компонентов волоконно-оптических систем, наиболее подверженных воздействию

механических нагрузок, т.е. кабелей и соединителей. Была разработана методика определения механических характеристик трансверсально-изотропных элементов конструкций компонентов волоконно-оптических систем и проведены исследования характеристик некоторых материалов по разработанной методике.

Полимерные элементы ОК являются анизотропными. Анизотропия обусловлена технологией их изготовления - при экструзии молекулы полимера ориентируются в направлении оси элемента. В достаточной степени это обстоятельство может быть учтено принятием для цилиндрических полимерных элементов модули трансверсально-изотропного тела. Полимерные элементы работают в основном на растяжение в продольном направлении и на сжатие и изгиб в поперечном направлении. Поэтому именно для таких случаев следует определять механические характеристики полимерных элементов. При расчете жесткости элементов на растяжение следует использовать значение модуля упругости Е1+ при растяжении вдоль оси элемента, а при сжатии в поперечной

плоскости — соответствующее значение модуля упругости Е2.

Для определения Е1 гидростатическое давление было заменено «квазигидростатическим», создаваемым оплеткой из синтетических нитей или стальных проволок, надеваемой на цилиндрический образец, при приложении к ней растягивающего усилия в направлении продольной оси элемента (рис. 2).

Подвижный ажим

н=>

Рис. 2. Испытательная схема для определения зависимости е — /(Т) конструкции {оплетка + сердечник (испытуемый образец)}

На основании полученной экспериментальной зависимости е = /(Т) (где е продольная деформация конструкции, Т — РУ) определяется продольная

жесткость Ь конструкции {оплетка + сердечник (испытуемый образец)^, которая, в свою очередь, зависит как от параметров самой оплетки, так и от радиальной с и, в меньшей степени, продольной (Ер)с жесткости сердечника.

Окончательная формула для вычисления модуля упругости материала сердечника как функцию параметров конструкции {оплетка + сердечник} и экспериментального значения ее продольной жесткости Ь:

_ пЕР• бш^ у/о • кг Е-) = —------

пЕР

—щу (/-у12 smy/0tgy/0)cos' щ-1

(6).

2пЯ2

Коэффициент Лу-формы сечения сердечника определяется по формулам: для сплошного цилиндра

к/=1~У12-, (7)

для трубки

где у/о - угол скрутки СЭ (оплетки);

п и ЕР— количество и спиральная жесткость элементов оплетки; V12 - коэффициент Пуассона материала сердечника; Л — радиус сердечника;

Я/ и Яг — радиусы внешней и внутренней поверхности трубки. Продольная жесткость Ь (экспериментальная): АГ А Т

ь =-= -ГГ'10'

е АI

Жесткостью при растяжении (Ер)с сердечника, как правило, можно пренебречь.

Для определения модуля сдвига в поперечной плоскости разработана специальная оснастка, представляющая собой оплетку 1 из синтетических нитей с различными жесткостями СЭ правой и левой скруток (рис. 3).

Оплетку размещают на испытуемом образце 2 (сплошном цилиндре и трубке) и закрепляют их концы на пассивном 3 и активном 4 захватах, последний из которых закрепляют на тяге 5 разрывной машины посредством шарнира 6. Шарнир 6 обеспечивает свободное вращение конструкции {оплетка + сердечник} вокруг продольной оси при ее растяжении.

Рис. 3. Схема оснастки для определения модуля сдвига (7// материала сердечника

При растяжении конструкции {оплетка + сердечник} вследствие различной продольной жесткости СЭ правой и левой скруток оплетки конструкция закручивается вокруг своей оси на угол <р. При проведении испытаний снимается зависимость £ — /(Т) и определяется продольная жесткость Ь конструкции в соответствии с предыдущей методикой.

Угол закручивания <р связан с параметрами конструкции {оплетка + сердечник} и растягивающей нагрузкой Г соотношением:

(9)

где

а, _ Яъту/о

СХп —--

2 Ах

Ах - жесткость при кручении сердечника;

(10)

т, =

Г;

(Щ

Т2 =—-Г;

и 1?2 - собственные спиральные жесткости правого и левого повивов оплетки;

Ь - продольная жесткость конструкции. Жесткость при кручении Ах равна

¿x~Gjj.Jp, (12)

где ^ — полярный момент инерции сечения сердечника. Для сечения в форме круга

Ж 4

у •

для кольцевого сечения

Поэтому выражение для определения модуля сдвига С?//:

СТ11 ~-.

11 (р^р'Ь

Для определения модуля упругости снимается графическая зависимость / = /(Г).

Модуль упругости ЕЛ определяется по формуле:

1 д1 г

где АТ и Д/ — определяются для начального прямолинейного участка зависимости / = /(Г;.

Для определения продольной деформации е и угла закручивания ср элементов и образцов ОК при воздействии растягивающего усилия, гидростатического давления и крутящего момента используется специальная оснастка, описание которой приведено на рис. 2.

Давление (квазигидростатическое) и крутящий момент создаются при помощи оплетки, которая надевается на испытуемый образец и подвергается воздействию растягивающего усилия Т.

Растягивающее усилие 7/, которое действует при этом на образец, равно

г, 4г.

где Ь] - продольная жесткость испытуемого образца;

Ь - продольная жесткость конструкции {оплетка + сердечник (образец)}.

Давление <т, создаваемое оплеткой на испытуемый образец, равно

I?

<Т " «т*

<т = ог -—Г, где

4 Л/

2пЯ

Ь° — спиральная жесткость оплетки.

Крутящий момент М, создаваемый оплеткой, рассчитывается как М = ТЯ^п\(/0Ь1~Ь2.

х-»

По разработанным методикам были определены характеристики трубок и корделей из полимерных материалов, наиболее часто применяемых в кабельной технике, а также характеристики синтетических нитей марок Русар, Тварон, Кевлар, СВМ.

Пятая глава посвящена созданию устройства, позволяющего снизить механические нагрузки на ОК, работающий в составе системы управления движущимся объектом в процессе его высокоскоростной размотки.

В системах управления движущимися объектами волоконно-оптическая линия передачи информации предназначена для связи носителя с движущимся объектом и обеспечения обмена информацией между ними с целью управления движением объекта.

Для сохранения целостности линии передачи информации при одновременном движении носителя и движущегося объекта используется вариант линии с двумя катушками, содержащими микрокабель, одна из которых размещена на движущемся объекте и разматывается при его движении, а вторая связана с носителем и разматывается по мере маневрирования носителя. Такая схема размотки исключает протаскивание микрокабеля в воде. и позволяет использовать микрокабель с небольшим разрывным усилием. Бортовая аппаратура телеуправления носителя, катушки и аппаратура управления движущегося объекта последовательно соединены между собой с помощью оптических соединителей.

Ранее подобные системы создавались на базе электрических кабелей, что привело к созданию безынерционных катушек с внутренней размоткой и приклеиванием витков кабеля. Приклеивание витков кабеля осуществлялось для того, чтобы исключить спадание витков при вибрациях и ударах (ускорениях) катушки, а также, чтобы обеспечить равномерное схождение витков при разматывании катушки. Исследования по определению возможности использования аналогичной конструкции катушки для намотки на нее оптического микрокабеля выявили следующие негативные явления:

- диаметр витков оптического кабеля в намотанном на катушку виде составляет менее 10 мм, что приводит к существенному увеличению коэффициента затухания в канале связи (это имеет огромное значение, т.к. длина намотанного кабеля превышает 5 км, а чаще всего в системах управления движущимися объектами она превышает 25 км);

- радиус изгиба кабеля в месте отрыва составляет менее 3 мм;

- появляется проблема совместимости материала оболочки кабеля с клеящими составами, и при этом стойкости клеящих составов к морской воде и др. средам;

- усложняется и удорожается технологический процесс намотки микрокабеля на катушку (требуются: подогрев; тщательное соблюдение технологического режима — температуры, скорости, влажности и т.д.; малая скорость намотки — десятки часов для намотки 1 км микрокабеля);

- снижается надежность изделия — за счет значительного увеличения напряжений в оптическом волокне при длительном нахождении в изогнутом

состоянии при радиусе изгиба близком к критическому, а также за счет длительного воздействия клеящего состава на материалы ОМК.

При разработке катушки для оптического кабеля учитывались следующие требования:

1) катушка должна обеспечивать свободную смотку микрокабеля с большой скоростью без рывков и изгибов малого радиуса;

2) не должно происходить соскальзывание витков при движении катушки с ускорением, в частности при вибрациях;

3) конструкция катушки и способ намотки не должны приводить к увеличению затухания оптического сигнала, в том числе при действии на катушку гидростатического давления;

4) конструкция катушки должна допускать переход разматываемого оптического микрокабеля при его размотке в полый вал малого диаметра 20 мм), расположенный непосредственно рядом с катушкой.

В процессе исследований была разработана катушка, показанная на рис.4.

Устойчивость размотки кабеля (без запутывания) в отсутствие приклеивания витков обеспечивается за счет намотки кабеля с большим шагом (крестовой намотки). Расстояние между следующими друг за другом витками должно быть более 5 диаметров кабеля. Это исключает возможную причину запутывания кабеля — одновременный сход нескольких витков с катушки при размотке.

Отсутствие изгибов с малым радиусом при смотке достигается

определенной формой направляющей щеки катушки. Минимальный радиус изгиба профиля направляющей щеки — 25 мм. Однократный изгиб ОК с таким радиусом не приводит к увеличению затухания оптического сигнала в нем.

Полное заполнение кабелем пространства между щеками катушки необходимо для исключения чрезмерных растягивающих усилий в оптическом кабеле, обладающем малой

Рис. 4. Катушка для размотки ОК в составе систем управления движущимися объектами

радиальной жесткостью, в начале размотки (при первоначальном рывке). Уменьшение разлета кабеля при его размотке в случаях, когда это необходимо,

например, при размещении катушки в объектах с ограниченным свободным пространством достигается одним из

следующих способов — в зависимости от конструкции носителя катушки:

1) размотка (сход) кабеля с катушки осуществляется в направлении, противоположном движению размотанного кабеля (рис. 5);

2) размотка (сход) кабеля с катушки осуществляется в направлении движения размотанного кабеля через направляющее устройство внешнего кожуха катушки (рис. 6).

Для обоих способов минимальный радиус изгиба профиля направляющей щеки (для способа 1) и направляющего устройства внешнего кожуха (для способа 2) - не менее 25 диаметров кабеля. Для случаев размотки кабеля на воздухе применяется смазка кабеля, например кремнийорганической жидкостью ПМС.

Возможность реализации данной конструкции и устойчивой размотки оптического кабеля подтверждены экспериментально.

Были изготовлены безынерционные катушки для 5 и 20 км оптического микрокабеля (ОМК) диаметром 0,9 мм, для 80 м оптического кабеля-троса (ОКТ) диаметром 3,5 мм — для размещения на подводном носителе, а также для 500 м комбинированного оптико-электрического кабеля (КК) диаметром 5 мм -для размещения на наземном или воздушном носителе.

Намотка оптического кабеля осуществлялась на стандартном кабельном оборудовании с незначительной модернизацией. Установлено, что предлагаемая конструкция катушки с кабелем не приводит к увеличению затухания сигнала в оптическом кабеле. Размотка кабеля проводилась на специально разработанном размоточном стенде на воздухе и в воде со скоростью до 30 м/с по схеме рис. — для ОМК и ОКТ, на воздухе со скоростью до 20 м/с по схеме рис. — для КК. В процессе испытаний подтверждено, что предлагаемые способ намотки и конструкция катушки обеспечивают устойчивую размотку кабеля.

В заключении кратко сформулированы полученные результаты.

1. Проведен анализ работ, посвященных проблемам проектирования волоконно-оптических систем и их компонентов. Показано, что разработка методики оценки эффективности конструкций ОК с точки зрения стойкости к воздействию механических нагрузок, методики расчета угла поворота кабеля вокруг продольной оси, методов исследования механических свойств наиболее актуальных для ОК материалов (с учетом анизотропии и разномодульности полимеров) является актуальной.

2. Разработана инженерная методика для определения угла поворота в кабеле произвольной конструкции при действии растягивающего усилия (с учетом массы кабеля), переменного по длине гидростатического давления и крутящего момента.

Направление движения Направление схода витков размотанного кабеля

Кожух

Катушка с намотанным кабелем

Рис. 5. Схема «обратной» размотки кабеля.

Направление схода витков и движения размотанного кабеля

Катушка с намотанным кабелем

Кожух

Рис. 6. Схема размотки комбинированного кабеля (для систем оперативной связи).

Методика проверена экспериментально на примере конструкции оптического кабеля с двумя слоями СЭ (нитей СВМ). Погрешность формул методики не превышает 10%.

Получено условие отсутствия в кабеле крутящего момента (при котором кабель с незакрепленными от вращения концами не закручивается при действии растягивающего усилия и внешнего давления).

3. Разработаны и проанализированы критерии эффективности конструкций оптических кабелей с точки зрения стойкости к воздействию растягивающего усилия, гидростатического давления и крутящего момента с учетом нагревания-охлаждения кабеля.

Разработанные критерии позволяют оптимизировать конструкции ОК с точки зрения соответствия заданным нагрузкам и наиболее полного использования ресурсов проектирования.

4. Проведен анализ механических свойств конструктивных элементов компонентов ВОС, наиболее подвергающихся механическим воздействиям в процессе монтажа и эксплуатации. Разработаны методика и средства испытаний трансверсально-изотропных элементов кабельных конструкций на воздействие растягивающего усилия, гидростатического давления и крутящего момента, с применением которых проведены испытания элементов и образцов оптических кабелей.

5. Проведено исследование возможности создания систем телеуправления движущимися объектами на основе оптического микрокабеля.

6. Разработана конструкция безынерционной катушки для высокоскоростной размотки оптического микрокабеля, в том числе в условиях повышенного гидростатического воздействия, позволяющая снизить механическую нагрузку на микрокабель, работающий в составе волоконно-оптической линии передачи информации системы телеуправления движущимся объектом. Эффект достигается не только конструктивным исполнением катушки, но и особенностями разработанной технологии намотки ОК.

7. По разработанной методике были проведены испытания катушки с микрокабелем на высокоскоростную размотку, подтверждающие, что конструкция катушки и технология намотки обеспечивают устойчивую размотку ОК со скоростью до 40 м/с.

8. Разработанные методики оценки эффективности конструкций ОК, определения механических характеристик трансверсально-изотропных элементов использованы при разработке конструкций и технологии изготовления оптических кабелей и проведении соответствующих исследований на предприятиях ОАО «ВНИИКП», ООО «ВНИИКП-ОПТИК», ЗАО «МТБ», ЗАО ЦНИТИ «Техномаш-ВОС».

Результаты работы отражены в следующих публикациях: 1. А.А. Овчинников, И.А. Семенова, Ю.Т. Ларин. Проблема создания миниатюрного ОК при сохранении его высоких механических характеристик.// Материалы конференции «Телекоммуникационные и вычислительные

системы». Международный форум информатизации - Москва, ноябрь 2000 г., с. 143-147.

2. Овчинников A.A., Овчинникова И.А., Калюжная И.Г., Алексеева A.C., Дуйнов М.В. Создание полевых оптических кабелей// Труды 5-й международной конференции «Электромеханика, электротехнлологии, электроматериаловедение» МКЭЭ-2003,22-27 сентября 2003 г., с. 151-156.

3. A.A. Овчинников, Ю.Т. Ларин, A.A. Ильин, В.А. Нестерко. Роль и место волоконной оптики в военной технике// Сборник докладов межведомственной научно-практической конференции «Информационные оптико-электронные технологии в военном деле» - г. Сосновый Бор (Ленинградской области), февраль 2005 г., с. 91 - 96

4. A.A. Овчинников, И.А. Овчинникова. Оптический кабель как основной компонент волоконно-оптических систем контроля, управления и связи// Сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции «Датчики и системы- 2006» - Москва, май 2006 г., с.

5. A.A. Овчинников, ЭЛ. Геча, В.А. Нестерко Определение механических характеристик трансверсально-изотропных материалов// Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2006, № 7, том 72, с. 45-48

6. A.A. Овчинников, Ю.Т. Ларин, , И.А. Овчинникова, В.Ю. Фомичев, Н.Д.Шкалова. Кабель оптический на основе металлической трубки. Патент на полезную модель № 57971 от 27.06.06, опубл. 27.10.2006, бюл. № 30.

"Ч

л _ 1

\ / i 1

\ \

J - \

ОВЧИННИКОВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ Исследование влияния конструкций и технологии изготовления на стойкость оптических кабелей для систем передачу информации к воздействию _ механических нагрузок - ~

\ / .г.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой ч степени канд идата технических наук

Лицензия ПЛД № 53-472 от 30.07.99. Подписано впечать 25.10.2006. Формат 64x84/16 Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 3639. Отпечатано в ОАО «ЦНИТИ»Техномаш» - / ,

S 121351, г.Москва,ул.Ивана Франко, д.4

ВВЕДЕНИЕ.

МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ РАБОТЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МЕХАНИЧЕСКИХ НАГРУЗОК.

1.1 Прочность и надежность оптических волокон.

1.2 Особенности конструирования ОК с точки зрения стойкости к воздействию механических нагрузок.

1.3 Прокладка ОК и способы снижения механических нагрузок на кабель за счет совершенствования методов и устройств прокладки и монтажа.

1.4 Разработка волоконно-оптических систем для управления движущимися объектами.

1.5 Выводы. Постановка задачи.

РАСЧЕТ УГЛА ПОВОРОТА КАБЕЛЯ ВОКРУГ ПРОДОЛЬНОЙ ОСИ ПРИ ДЕЙСТВИИ РАСТЯГИВАЮЩЕГО УСИЛИЯ, ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ И КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА.

2.1 Расчет угла поворота слоя (повив а) спиральных элементов, расположенных вокруг упругого сердечника.

2.2 Собственная угловая спиральная жесткость.

2.3 Расчет угла поворота (закручивания) кабеля произвольной конструкции вокруг его продольной оси.

2.4 Расчет конструкции с двумя слоями спиральных элементов.

Актуальность.

Электронные приборы, которые активно используются современным человеком и в производстве, и в быту, либо работают в составе соответствующих систем, в частности - связи, контроля и управления, либо сами представляют собой довольно сложную систему (например, датчики).

В состав систем помимо электронных приборов - излучателей, приемников, преобразователей, устройств обработки и хранения данных, входят также разветвители, соединители и кабели.

Волоконно-оптические системы (ВОС) связи, контроля и управления различными объектами и процессами уже завоевали твердые позиции на мировом рынке. Особенно незаменимыми они оказываются в тех случаях, когда необходимо обеспечить работу в условиях сильных электромагнитных полей, в агрессивных и взрывоопасных средах. Поскольку оптический кабель практически не излучает в радиодиапазоие, то передаваемую по нему информацию трудно подслушать, не нарушая приема/передачи, поэтому такие системы необходимы при создании линий связи в правительственных, банковских и некоторых других специальных службах, предъявляющих повышенные требования к защите данных.

Основным компонентом любой ВОС является оптическое волокно (ОВ) или оптический кабель (ОК), т.е. изделие, содержащее одно или более оптических волокон или пучков волокон, а также упрочняющие и другие конструктивные элементы, внутри общей оболочки, предназначенные для защиты ОВ от механических воздействий и других внешних воздействующих факторов. При проектировании волоконно-оптической системы перед разработчиком могут стоять две диаметрально противоположные задачи в зависимости от области применения разрабатываемого изделия: для кабелей и волокон, использующихся в качестве канала передачи информации - сохранение неизменными своих оптических характеристик при любых внешних воздействиях в течение срока службы; а при использовании ОВ и ОК в качестве чувствительного элемента в системах измерения и контроля - высокая чувствительность к заданному виду воздействия и стойкость к любым другим факторам. От правильного выбора при конструировании компонентов зависит эффективность работы всей системы. В то же время, об эффективности работы компонентов системы (например, электронных приборов) можно говорить только в случае эффективного функционирования всей системы в целом.

Кабель здесь играет ключевую роль, т.к. буквально выполняет функцию связи между элементами системы (и в качестве передачи сигнала, и с механической точки зрения к нему «привязаны» остальные компоненты) [1].

Стойкость к воздействию механических нагрузок является одним из основных и безусловных требований, которые предъявляют к ОК, использующимся в системах связи.

Основным представителем данной группы воздействующих факторов является растягивающая нагрузка, требования по стойкости к которой предъявляются ко всем кабелям. Условия эксплуатации многих кабелей (геофизических, каротажных, кабелей, предназначенных для буксировки подводных объектов, и т. д.) предполагают воздействие на них значительного гидростатического давления и крутящего момента, возникающего как вследствие аэродинамических характеристик, связанного с кабелем прибора, так и вследствие свойства кабеля закручиваться под действием растягивающей нагрузки, приложенной к его спиральным армирующим элементам. Спиральные элементы при растяжении обуславливают также давление на сердечник кабеля. [2,3]. Закручивание кабеля может привести и к нарушению целостности системы (например, вырывание кабеля из соединителя), что повлечет за собой очень трудоемкие и дорогостоящие (т.к. высока стоимость применяемого монтажного оборудования) ремонтные работы. В случае же некачественных соединений резко ухудшаются передающие характеристики системы в целом.

Противодействие кручению сейчас достигается специальным конструированием электронной аппаратуры - вращающиеся соединители[4], специальные защитные корпуса со специфической аэро(гидро)динамикой и пр. [5 -7], что нередко приводит к усложнению компонентов системы, снижению ее общей эффективности с точки зрения соотношения «цена/качество».

Настоящая работа направлена на решение этой задачи через улучшение соответствующих характеристик кабеля.

Также для кабелей указанных ранее областей применения может возникнуть проблема устойчивости размотки ОК с отдающего устройства (катушки), что приведет к существенному затуханию сигнала, и в конечном итоге нарушению целостности системы. Данную проблему необходимо решать путем увеличения механической прочности кабеля и разработки специальной конструкции катушки, позволяющей обеспечить эффективную работу системы, существенно снижая нагрузки на ОК в процессе размотки. Эта задача тоже была решена в рамках данной работы.

В распоряжении разработчиков оптических кабелей имеются инженерные методики для расчета кабельных конструкций. на воздействие растягивающего усилия в условиях внешнего гидростатического давления [3, 8 -10]. Эти методики позволяют рассчитать напряженно-деформированное состояние (НДС) в кабеле произвольной конструкции с закрепленными от вращения концами. В то же время, актуальной остается задача разработки методики расчета угла поворота кабеля при действии данных нагрузок. Литературный поиск не выявил корректной постановки и решения этой задачи.

Несмотря на наличие указанных методик многие современные конструкции оптических кабелей, в том числе за рубежом, спроектированы (и проектируются в настоящее время) неудачно, или неэффективно, с точки зрения механики, т.е. не обладают оптимальным соотношением «цена/качество». Показателем качества является соответствие конструкции ОК требованиям ТЗ (ТУ и т.д.). В то же время формальное соответствие конструкции требованиям ТЗ еще не позволяет судить о том, насколько она эффективна, так как, возможно, полученный результат достигнут наряду с неоправданным ухудшением других параметров (например, массо-габаритных характеристик или стоимости), т.е. конструкция не является оптимальной.

В литературе отсутствуют критерии оценки эффективности ВОС, и в частности конструкций ОК. Отсутствие критериев делает невозможным корректное сравнение различных конструкций друг с другом, выбор наиболее предпочтительной конструкции для тех или иных условий эксплуатации [11].

Таким образом, проблема оценки эффективности ВОС с точки зрения стойкости к воздействию механических нагрузок является актуальной.

Цель и задачи работы.

Целью данной работы является разработка методики оценки эффективности ВОС с точки зрения стойкости к воздействию растягивающего усилия и крутящего момента в условиях внешнего гидростатического давления.

Для реализации этой цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать критерии оценки эффективности конструкций по отношению тс данным нагрузкам;

- разработать методику расчета угла поворота кабеля произвольной конструкции вокруг продольной оси при действии растягивающего усилия, гидростатического давления и крутящего момента;

- разработать методику и провести экспериментальные исследования необходимых для расчета механических характеристик конструктивных элементов ВОС.

Научная новизна.

Разработана методика расчета угла поворота (закручивания) кабеля произвольной конструкции вокруг продольной оси при действии растягивающего усилия, гидростатического давления и крутящего момента.

Разработаны критерии оценки эффективности конструкций с точки зрения стойкости к воздействию механических нагрузок с учетом нагревания-охлаждения кабеля.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием методов математического анализа и уравнений механики гибких стержней и нитей и механики композиционных материалов, достаточно полно учитывающих особенности конструкции, технологии изготовления и эксплуатации компонентов ВОС, а также соответствием результатов расчета экспериментальным данным.

Выводы и рекомендации диссертации обоснованны и подтверждаются результатами испытаний изготовленной с их использованием волоконно-оптической линии передачи информации систем управления и наведения на основе оптического микрокабеля и оптического кабеля-троса, а также волоконно-оптической линии для оперативной связи на базе миниатюрного комбинированного оптического кабеля (разработчик - ОАО <<ВНИИКП>>).

Практическая ценность исследований состоит в следующем:

- в разработке методики оценки эффективности и оптимизации конструкций оптических кабелей;

- в разработке методики определения механических характеристик трансверсально-изотропных элементов ОК;

- в определении механических характеристик некоторых материалов, применяемых в конструкциях компонентов ВОС;

- в разработке конструкции безинерционной катушки для высокоскоростной размотки намотанного на нее оптического кабеля в условиях повышенного гидростатического давления и технологии намотки ОК на разработанную катушку;

- разработке методики проведения испытаний на высокоскоростную размотку ОК с безинерционной катушки.

Результаты работы позволяют эффективно проектировать конструкции волоконно-оптических систем передачи информации, оптимальные с точки зрения стойкости к воздействию заданных нагрузок.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Разработанные в процессе работы методики оценки эффективности ВОС, определения механических характеристик трансверсально-изотропных элементов, проведения испытаний на высокоскоростную размотку использованы при разработке ВОС, конструкций и технологии изготовления оптических кабелей и катушек при проведении соответствующих исследований на предприятиях ОАО «ВНИИКП», ООО «ВНИЖП-Оптик», ЗАО «МТБ».

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Методика расчета угла поворота (закручивания) кабеля произвольной конструкции вокруг продольной оси при действии растягивающего усилия, гидростатического давления и крутящего момента.

2. Методика оценки эффективности конструкций оптических кабелей с точки зрения стойкости к воздействию механических нагрузок.

3. Методика определения механических характеристик трансверсально-изотропных элементов ОК и результаты экспериментального исследования механических характеристик полимерных материалов.

4. Конструкция безынерционной катушки и технология намотки на нее оптического кабеля, обеспечивающая его последующую высокоскоростную размотку.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы» Международного форума информатизации, проходившего в Москве в ноябре 2000 г., на 5-й международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электроматериаловедение» в сентябре 2003 г., на межведомственной научнопрактической конференции «Информационные оптико-электронные технологии в военном деле», состоявшейся в г. Сосновый Бор (Ленинградской области) в феврале 2005 г. и на Всероссийской научно-практической конференции «Датчики и системы - 2006», г. Москва, май 2006 г.

Публикации.

1. А.А. Овчинников, И.А. Семенова, Ю.Т. Ларин. Проблема создания миниатюрного ОК при сохранении его высоких механических характеристик.// Тезисы докладов конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы». Международный форум информатизации - Москва, ноябрь 2000 г., с. 143.

2. А.А. Овчинников, И.А. Семенова, Ю.Т. Ларин. Исследование влагостойкости кабелей связи и способы защиты от влаги.// Тезисы докл. конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы». Международный форум информатизации - Москва, ноябрь 2000 г., с. 144.

3. А.А. Овчинников, А.С. Алексеева, И.Г. Калюжиая, Ю.Т.Ларин, И.А. Овчинникова. Нормативно-техническое обеспечение создания и эксплуатации оптических кабелей для перспективных систем связи// «Информост»-№ 4(28).-2003.-С.30-31

4. Овчинников А.А., Овчинникова И.А., Калюжная И.Г., Алексеева А.С., Дуйнов М.В. Создание полевых оптических кабелей// Тезисы докладов 5-й международной конференции «Электромеханика, электротехнлологии, электроматериаловедение» МКЭЭ-2003, 22-27 сентября 2003 г., с.

5. А.А. Овчинников, Ю.Т. Ларин, А.А. Ильин, В.А. Нестерко. Роль и место волоконной оптики в военной технике// Сборник докладов межведомственной научно-практической конференции «Информационные оптико-электронные технологии в военном деле» - г. Сосновый Бор (Ленинградской области), февраль 2005 г, с. 91 -96

6. А.А. Овчинников, И.А. Овчинникова. Оптический кабель как основной компонент волоконно-оптических систем контроля, управления и связи// Сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции «Датчики и системы-2006» - Москва, май 2006 г., с.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5-ти глав, списка литературы и приложений. Материал изложен на 210 страницах текста и содержит 57 рисунков, 17 таблиц. Список использованной литературы включает в себя 117 наименований.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведен анализ работ, посвященных проблемам проектирования волоконно-оптических систем и их компонентов. Показано, что разработка методики оценки эффективности конструкций ОК с точки зрения стойкости к воздействию механических нагрузок, методики расчета угла поворота кабеля вокруг продольной оси, методов исследования механических свойств наиболее актуальных для ОК материалов (с учетом анизотропии и разномодульности полимеров) является актуальной.

2. Разработана инженерная методика для определения угла поворота в кабеле произвольной конструкции при действии растягивающего усилия (с учетом массы кабеля), переменного по длине гидростатического давления и крутящего момента.

Методика проверена экспериментально на примере конструкции оптического кабеля с двумя слоями СЭ (нитей СВМ). Погрешность формул методики не превышает 10%.

Получено условие отсутствия в кабеле крутящего момента (при котором кабель с незакрепленными от вращения концами не закручивается при действии растягивающего усилия и внешнего давления).

3. Разработаны и проанализированы критерии эффективности конструкций оптических кабелей с точки зрения стойкости к воздействию растягивающего усилия, гидростатического давления и крутящего момента с учетом нагревания-охлаждения кабеля.

Разработанные критерии позволяют оптимизировать конструкции ОК с точки зрения соответствия заданным нагрузкам и наиболее полного использования ресурсов проектирования.

4. Проведен анализ механических свойств конструктивных элементов компонентов ВОС, наиболее подвергающихся механическим воздействиям в процессе монтажа и эксплуатации. Разработаны методика и средства М испытаний трансверсально-изотропных элементов кабельных конструкций на воздействие растягивающего усилия, гидростатического давления и крутящего момента, с применением которых проведены испытания элементов и образцов оптических кабелей.

5. Проведено исследование возможности создания систем телеуправления движущимися объектами на основе оптического микрокабеля.

6. Разработана конструкция безынерционной катушки для высокоскоростной размотки оптического микрокабеля, в том числе в условиях повышенного гидростатического воздействия, позволяющая снизить механическую нагрузку на микрокабель, работающий в составе волоконно-оптической линии передачи информации системы телеуправления движущимся объектом. Эффект достигается не только конструктивным исполнением катушки, но и особенностями разработанной технологии намотки ОК.

7. По разработанной методике были проведены испытания катушки с микрокабелем на высокоскоростную размотку, подтверждающие, что конструкция катушки и технология намотки обеспечивают устойчивую размотку ОК со скоростью до 40 м/с.

8. Разработанные методики оценки эффективности конструкций ОК, определения механических характеристик трансверсально-изотропных элементов использованы при разработке конструкций и технологии изготовления оптических кабелей и проведении соответствующих исследований на предприятиях ОАО «ВНИИКП», ООО «ВНИИКП-Оптик», ЗАО «МТБ», ЗАО ЦНИТИ «Техномаш-ВОС».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Овчинников А.А., Овчинникова И.А. Оптический кабель как компонент волоконно-оптических систем контроля, управления и связи// Сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции «Датчики и системы 2006, Москва, 30-31 мая 2006 г., с.

2. Геча Э.Я., Кремез А.С., Ларин Ю.Т., Шахназаров Ю.Г. Исследование возможности создания оптического кабеля, несущего большую нагрузку, с продольной и поперечной герметизацией// Отчет о НИР -М.: ВНИИКП, 1983 г., 194 с.

3. Геча Э. Я. О поведении кабелей при растяжении // Исследование и производство кабелей и проводов: Сб. науч. тр. ВНИИКП. М., 1988. С. 44-51

4. Разработка основных компонентов для сматываемых волоконно-оптических линий передачи информации систем управления и наведения// Отчет о НИР-М.:ОАО «ВНИИКП», 2001 г., 177 с.

5. Устройство с воздушным демпфированием для разматывания волоконно-оптического кабеля. Патент США 5226615, приоритет от 31.01.92

6. Устройство для удержания волоконно-оптического кабеля. Патент США № 5213280, приоритет от 14.03.91

7. Устройство для фиксации и ограничения изгиба кабеля. Патент США № 5022607, приоритет от 18.10.88

8. Геча Э. Я. Расчет кабелей на воздействие растягивающего усилия в условиях внешнего гидростатического давления // Электротехника. 1989. №1. М.: Энергоатомиздат. - С. 46-49

9. Геча Э. Я. Напряженно-деформированное состояние в кабеле при действии растягивающего усилия и внешнего гидростатического давления // Машиноведение. 1989. № 1. М.: Наука. - С. 35-41

10. Геча Э. Я. Разработка метода расчета оптических кабелей на воздействие растягивающего усилия и гидростатического давления// дисс. На соискание уч. степени канд. техн. наук, Москва, 1987

11. Овчинникова И.А., Калюжная И.Г., Алексеева А.С., Овчинников А. А. Нормативно-техническое обеспечение создания и эксплуатации оптических кабелей для перспективных систем связи// «Информост», № 4(28), 2003 г., с. 30-33

12. Иноземцев В.П. Разработка методов расчета и конструирования объектов оптических кабелей// Диссертация на соискание уч. степени канд. технических наук, М.: ВНИИ КП, 1988, 135 с.

13. Иоргачев Д.В., Бондаренко О.В., Дащешсо А.Ф, Усов А.В. Волоконно-оптические кабели. Теоретические основы, конструирование и расчет, технология производства и эксплуатации// Одесса: «Астропринт», 2000 г., 535 с.

14. Ларин Ю.Т., Ларина Э.Т. Конструирование, расчет и технология производства оптических кабелей// М.: МЭИ, 1985

15. Ларин Ю.Т., Рязанов И.Б. Расчет параметров оптических кабелей//М.: МЭИ, 1993 г., 122 с.

16. Ларин Ю.Т. Теоретические посылки для создания математической модели оптических кабелей шаг к компьютерным методам описания, расчета и диагностики кабельного изделия// «Кабели и провода». № 1(284), 2004 г., с.12 - 14.

17. Долгов И.И., Вавилов Ю.В. Начальное и радиационно-наведенное затухание волоконных световодов в оптическомдиапазоне 1,3-1,6 мкм// «Кабели и провода», № 1(278), 2003 г., с. 16 -18.

18. Долгов И.И., Иванов Г.А., Чаморовенко Ю.К., Яковлев М.Я. Радиационно-стойкие одномодовые оптические волокна с кварцевой сердцевиной// «Фотон-Экспресс»- Наука, 2005 г., № 6, с. 4-10

19. Бондаренко А.В., Дядькин А.П., Кащук Ю.А. и др. Исследование радиационной стойкости оптических волокон из кварцевого стекла в условиях реакторного облучения// «Фотон-Экспресс»- Наука, 2005 г., № 6, с. 11 19

20. Ларин Ю.Т. Разработка нагревостойких оптических волокон// «Кабели и провода», № 3 (280) 2003 г., с. 10-11

21. В.А. Богатырев, Е.М. Дианов, Ч. Кеджен, С.Д. Румянцев. Термостойкие световоды в герметичном алюминиевом покрытии// Письма в ЖТФ, 1992 г., т. 18, вып. 21, с. 24 28.

22. Демидов С. В., Купшарев К. В., Шевченко В. В. Дисперсионные свойства мод хиральных планарных оптических волноводов // Радиотехн. и электрон. (Москва), 1999, № 7 с. 885-890

23. Lui Wayne W., Htrono Takuo, Yokoyama Kiyoyuki, Huang Wei-Ping. Polarization rotation in semiconductor bending waveguides: A coupled-mode theory formulation // J. Lightwave Technol., 1998, № 5,c. 929-936

24. Т. Окоси, К. Окамото, M. Оцу, и др. Волоконно-оптические датчики// Пер. с японского Л. Энергоатомиздат (Ленинградское отд.-е), 1999 г., 256 с.

25. Мамедов A.M., Потапов Т.В. Потапов В.Т., Смуреев Е.К. Одноволоконные распределенные волоконно-оптические датчики физических величин и полей// «Фотон-Экспресс» Наука, 2005 г., № 6, с. 141-151

26. Huston D.R., Fulit P.L., Udd E. et all. Fiber Optic Sensor for evaluation and monitoring of civil structures// SPIE, 1999, v. 3860, p.p. 2 -11.

27. Иванов А.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения/ /М.: Сайрус Системе, 1999

28. KolleU., Reiners W., Rybacli J. Polarisations moden dispersionin Glasfasernmessen // NTZ: Informationstechn. + Telecomrnun.- 1999, № 8,-c. 64-66

29. Меккель A.M. Поляризационно-модовая дисперсия// Фотон-экспресс, № 5, ноябрь 2003, с. 8 14

30. Тен С. Разработка новых волокон: микроструктурированные волокна, волокна с пониженным допустимым радиусом изгиба и др.// Семинар комп. Corning «Развитие технологий оптической связи и волокон», апрель 2006 г.

31. Ларин Ю.Т. Надежность оптических волокон// М.: Информэлектро, 1990 г., 40 с.

32. Бухтиарова Т.В., Дьяченко А.А., Иноземцев В.П., Соколов А.В. Прочность и долговечность волоконно-оптических световодов// М.: ВИНИТИ, Итоги науки и техники, серия «Связь», т.8, 1991 г., с. 110 -169

33. Г. Скотт Глезманн. Основы механической надежности оптических волокон // Семинар комп. Corning «Развитие технологий оптической связи и волокон», апрель 2006 г.

34. Абрамов А. А., Бубнов М. М., Вечканов Н. Н. и др. Температуростойкие волоконно-оптические модули // Труды ИОФАН, 1987 г., т. 5. с. 72-82

35. Берштейн В.А., Никитин В.В., Степанов В.А, Шамрай Л.М. Гидролитический механизм разрушения стекла под нагрузкой// ФТТ, 1973, №11, с. 3260 -3265

36. Семёнов С. Л. Влияние герметичных покрытий световодов на их механическую прочность. // Волоконно-оптические технологии, материалы и устройства. №2. 1999 г. с.

37. Кавендер Р., Коиноли Э.С., Пауэре Д.Р., Риттер Д.Е. Технология уменьшения содержания воды в волоконных световодах. Патент США № 4684383, приоритет 04.08.87

38. Черных В.Д., Воронкова В.М. Защитно-модифицированные покрытия для гибких волоконных световодов// Л.: Об-во «Знание», 1989 г.

39. Баталов В.М., Прочухан Ю.Л. Фотоотверждаемые силиконовые эластомеры и оптические клеи// Вестник Башкирского университета, 2000 г, №2-3, с. 25-26

40. Helfmstine J.D., Quan F. // Optical fiber strength/fatigue experiments// Optics and Laser Tehn., 1982, v.14, № 6, pp. 291-308

41. Maurer R.D. Behavior of flaws in fosed silica fibers.- in Strength of inorganic glass// New York: Plenum Press, 1985, pp. 291-308

42. Sakaguchi S., Kiinura T. Influence of temperature and humidity on dynamic fatigue of optical fibers// J. Amer. Ceram.Soc., 1981, v. 64, № 5, pp. 259-262

43. Glaesemann G.S. The mechanical behavior of large flaws in optical fiber and their role in reliability predictions// Proc. 41 st Int. Wire & Cable Symp., 1992, pp. 698-704

44. Abe K., Ernst R. Static and dynamic fatigue tests of abraded optical fiber// Electron. Letters, 1985, v. 21, № 20, pp.926-928

45. Krause J.T. Transition in the static fatigue of fused silica fiber lighguides// Proc. V Europ.Conf. Optics Comm. (ECOC'79), 1979, pp. 1911-1914

46. Krause J.T., Shute C.J. Temperature dependence of the transition in static fatigue of fused silica optical fiber// Adv. Ceram. Mater., 1988, v. 3, № 2, pp. 118-121

47. Оптический кабель, монтажное и измерительное оборудование для волоконно-оптической связи // Рекламный проспект фирмы "Телеком Комплект Сервис" 1999 г.

48. Григорьев В.В., Митрорев А.К., Лященко О.В., Наумов А.К. Результаты испытаний Бриллюэновского рефлектометра// «Фотон-Экспресс», 2005, № 5(45), с.36

49. Семёнов С. JI. Физические процессы, определяющие прочность и долговечность волоконных световодов // Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.10 1997 г., 125 с.

50. Авдеев Б.В., Барышников Е.Н., Длютров О.В., Стародубцев И.И. Оптический модуль основа волоконно-оптического кабеля // Кабели и провода. - 2002. - №1(272). - С.22-25

51. Авдеев Б.В., Барышников Е.Н., Длютров О.В., Стародубцев И.И. Изменение избыточной длины в процессе изготовления ВОК // Кабели и провода. 2002. - №3(274). - С.32-34.

52. Ларин Ю.Т. Теоретическая и экспериментальная разработка методов конструирования оптических кабелей// Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.09.02, 2004 г.

53. Цым А.Ю., Воронцов А.С. Новая технология сооружения волоконно-оптических линий передачи (Технология ВОЛП-ВЛ).// Труды международной академии, 1998, №1 (5); К.К. Никольский Прокладка оптических кабелей связи// Фотон-экспресс, №2, 2005 г., с. 45-47

54. Никольский К.К. Прокладка оптических кабелей связи// Фотон-Экспресс», 2005г., № 2, с. 45-47

55. Агиенко И.И., Костюк Е.В. Комплексная механизация основа конкурентоспособности// «Фотон-Экспресс», 2004 г., № 3(35), с. 1415

56. Гаскевич Е.Б. Способ воздушной прокладки кабеля по проводу воздушной линии электропередач. Патент РФ № 2205486, приоритет от 17.09.2001

57. Гаскевич Е.Б. Способ воздушной прокладки кабеля на стойках городской радиотрансляционной сети. Патент РФ № 2222854, приоритет от 17.09.2001

58. Спиридонов В.Н. Цели и задачи технического надзора при строительстве ВОЛС// Lightwave, 2004 г., № 2, с. 33-37

59. Спиридонов В.Н. Конструирование надежности OK// Вестник связи, 1999 г., № 5, с. 47-49

60. Н.И. Ющенко, С.М. Кулешов, А.А. Гусев. Прокладка оптических кабелей в защитных пластмассовых трубах. Проблемы и решения// Фотон-Экспресс, 2004, №7/8 (39-40)

61. Спиридонов В. П., Варшамов А. Д. Междугородная BOJIC с защитными пластмассовыми трубами // Веста, связи,- 1999,- № 9.- С. 83-84

62. Прокладка кабеля в трубопровод потоком сжатого воздухаЮлектронный каталог ф. «Сибсвязьмонтаж».-2005

63. Инжектор ПСИ.1// Электронный каталог ф. «Волоконно-оптическая техника».-2003 г.

64. Сабинин Н.К. Экономика строительства ВОЛС подземной nporaaflKH//Liglitwave.-2003.-№ 2.-е. 15-20

65. Гаскевич Е.Б. Микротрубчатый кабель с вдуваемыми волокнами// Каталог ф. «Тералинк», 2005 г., с.56

66. Торпедное оружие и ПЛУР// Информационный вып. ФГУП ЦНИИ «Гидроприбор», № 229, 2001 г., с.5-6

67. Буксируемая волоконно-оптическая линия передачи данных для обеспечения связи между ракетой и пусковой платформой. Патент США № 5419512, приоритет от 06.09.90.

68. Волоконно-оптическая система управления ракетами. Патент США№ 5443227, приоритет от 15.10.93.

69. Устройство для разматывания волоконно-оптического кабеля с управляемой ракеты. Патент США № 5040744, приоритет от 04.12.90.

70. Устройство для наведения подвижного объекта от места старта к цели. Патент США № 5033389, приоритет от 26.04.90.

71. Устройство управления подвижным объектом по кабелю. Патент США№ 5310134, приоритет от 16.04.92.

72. Способ работы с управляемым по проводам движущимся в воздухе и воде транспортным средством и устройство для его осуществления. Заявка ЕПВ № 054986, приоритет от 23.08.91

73. Линия связи между движущимися телами, содержащая узлы анализа и отображения данных, блоки регулирования и управления. Заявка ЕПВ № 0337254, приоритет от 04.04.89

74. Снарядная система с запуском из трубы управляемого по оптическому волокну снаряда, содержащая пульт управления для ручного управления оператором. Заявка ЕПВ № 0342525, приоритет от 11.05.89.

75. Геча Э.Я., Кремез А.С. Анализ напряженно-деформированного состояния в оптическом кабеле при действии внешнего гидростатического давления// Исследование и производство кабелей и проводов: Сб. научных трудов ВНИИКП, М., 1989, с. 4-20

76. Damsgaard Н., Baungaard A. Sorensen, Andersen Ах., Enggaard N., Granernielsen L., Rosendal H. Optical submarine cable with stress free fibers even at extreme levels of cable elongation // IWCS Proceedings, 1984.-P. 395-400.

77. Bark P. R. Stress-strain behaviour of optical fiber cables // Proceeding of the 28th ITS, 1979. P. 385-390.

78. Hartog A. H., Conduit A. I. and Payne D. N. Variation of pulse delay with stress and temperature in jacketed and unjacketed optical fibers // Optical and Quantum Electronics. 1979,11, 3. P. 265.

79. Justice B. Strength consideration of optical waveguide fibers // Fiber and Integrated Optics. 1977,1. P. 115-133.

80. Унгер Х.-Г. Планарные и волоконные оптические волноводы//М.: Мир, 1980. — 656 с.

81. Композиционные материалы. Справочник. / Под ред. Д. М. Карпиноса. Киев, Наукова думка, 1985

82. Композиционные материалы волокнистого строения. / Под ред. И. Н. Францевича, Д. М. Карпиноса. Киев, Наукова думка, 1970

83. Справочник по композиционным материалам: В 2-х кн. Кн. 1. /Под ред. Дж. Любина. М., Машиностроение, 1988

84. Марочник сталей и сплавов. / Под редакцией В. Г. Сорокина. М., Машиностроение, 1989

85. Каток В.Б., Гончаров А. В. Оптические параметры разъёмных оптических соединителей// Фотон-Экспресс , № 12, декабрь 2000 г., с. 14-16

86. Крутицкий С.А. Физико-химическая механика зернистой среды и химический дизайн переработки отходов производства стекла, керамики, стали и отходов горных пород// Вестник СГУПСа, 1999 г., вып. 1, с. 160-169

87. Преснов В.А., Любимов М.Л., Строганова В.В., Рубашев М.А., Бердов Г.И., Дуд еров И.Г., Мосолова В.И. Керамика и ее спаи с металлом в технике// Атомиздат, 1969, 232 стр.

88. Гусев В.В., Калафатова Л.П., Молчанов А.Д. Использование технической керамики и сплавов в узлах трения// Труды Донецкого технич. университета, 2002 г., с. 486-490

89. Баринов С.М., Иванов Н.В., Орлов С.В., Шевченко В.Я. Влияние скорости нагружения на прочность керамики ГБ-7// Огнеупоры и техническая керамика, 1998, №5, с. 4-8

90. Лехшщкжи С. Г. Теория упругости анизотропного тела.//М.: Наука, 1977, 416 с.

91. Ярцев В.П., Умнова О.В. Влияние направления и вида нагруженжя на прочность и долговечность стеклопластика АГ-4НС// Пластические массы.-2003 ,-№8.-с.22-2 4

92. Озов Х.Х., Тхакахов Р.Б, Поверхностная энергия и механические характеристики на основе полившшлхлорида и бутадиенакрилонитрильных эластомеров// Пластические массы.-2003.-№3.-с. 15-18

93. Аркуша В. Техническая механика Теоретическая механика и сопротивление материалов//М.: Высшая школа, 2005 г., 352 с.

94. Геча ЭЛ., Нестерко В.А., Овчинников А.А. Определение механических характеристик трансверсально-изотропных материалов// Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2006 г., № 7, том 72, с. 45-48.

95. Баракан Л.Е. Подводные ВОСПУ/ Зарубежная радиоэлектроника, 1990 г., № 11, с. 31-52.

96. Варакин Л.Е. Волоконно-оптическая линия связи между подводной лодкой и торпедой ADCAP// Э.И. «Новости машиностроения», 1990 г., № 17, с.6

97. Торпедное оружие и ПЛУР// Информационный выпуск ФГУП ЦНИИ «Гидроприбор», № 224, 1999 г., с. 16-19

98. Торпедное оружие и ПЛУР// Информационный выпуск ФГУП ЦНИИ «Гидроприбор», № 229, 2001 г., с. 5 -6

99. Устройство для разматывания кабеля подводной линии связи движущегося объекта. Патент РФ № 02118792

100. Устройство стабилизации движущегося объекта на территории полета. Заявка Великобритании № 2009371.

101. Устройство высокоскоростной развертки кабельной системы. Патент США №4271761

102. Метод намотки на катушку оптического волокна. Патент США № 4746080

103. Овчинникова И.А., Овчинников А.А. Исследование возможности создания компонентов сматываемых волоконно-оптических линий передачи информации систем управления и наведения// Отчет о НИР «Штурвал-2»,-ОАО «ВНИЖП»,-2001,-156 с

104. Жарский М. Технологические методы обеспечения надежных деталей машин//М.: Техкнига, 2005 г., 300 с.

105. Бойцов B.C. Технологические методы повышения прочности и долговечности//Машиностроение, 2005 г., 128 с.

106. Кехарсаева Э.Р., Иванов С.С. Модель деформационно-прочностных характеристик хлоросодержащих полиарилатов на основе диана//Материаловедение.-2000.-№8.-с. 50-51

107. Кехарсаева Э.Р., Алероев Т.С. Модель деформационно-прочностных характеристик сополиариарилатов на основе фенолфталеина//Пластические массы.-2003.-№8,- с. 35-36

108. Ратнер Б.Р., Ярцев В.П. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособность?//М.:Химия- 1992.-320 с.

109. Ярцев В.П. Физико-технические основы работоспособности органических материалов в деталях и конструкциях// Автореферат дисс. на соискание уч.степенидокт.техн.наук.-Тамбов, 1998-353 с.

110. Бабаевский П.Г., Бельник А.Р., Новицкий А.Г. Деформационно-прочностные свойства и трещиностойкость коротковолокнистых полиэфирных пресскомпозиций (премиксов) при растяжении и изгибе//Пластические массы.-2003., ЖЗ.-с. 9-12

111. Бобрышев А.Н., Козицын B.C., Авдеев Р.И., Козомазов В.Н., Курин С.В. Оценка модуля деформации дисперсно-наполненных полимерных композитов// Пластические массы.-2003.-№ 3.-C.20-23

112. Кехарсаева Э.Р., Алероев Т.С. Модель деформационно-прочностных характеристик хлорсодержащих полиэфиров// Пластические массы.-2003,-№ 5.-е.17