防鸟光缆的测试方法探讨.pdf

PAGE037电缆及光缆Cables&Optical Cables本文通过文献资料了解到啄木鸟啄取冲击的特点以及相关参数，设计仿啄木鸟鸟喙的工装，采用仿生工装对4 个型号光缆的抗鸟啄冲击性能进行试验验证，探索光缆抗鸟啄性能的测试方法。This article through the literature to understand the woodpecker pecked impact characteristic and relevant parameters,the design of imitation woodpecker beak tooling,using bionic tooling for four common types of optical cable against bird peck impact performance test verification,explore the optical cable against bird peck performance test method.啄木鸟 光缆 仿生工装 鸟啄冲击woodpecker;optical cable;bionic tooling;bird peck impactDoi:10.3969/j.issn.1673-5137.2023.04.003摘 要 Abstract关键词 Key Words1.概述我国光纤通信网络建设规模不断增加，架空光缆线路里程数已经非常大，据电信运营商以及国家电网公司等光缆用户的维护报告，架空光缆受到生物侵害而造成通信中断的事故数量日渐增多，给通信服务质量造成损害，增加线路维护成本。在这些事故中，鸟类对光缆的啄击事故引起了运营商及国网公司的重视，运营商及国网公司对光缆的抗鸟啄性能提出了要求，光缆制造商也投入越来越多的资金和技术力量开发防鸟光缆产品。据调查，损坏光缆外护的鸟类有啄木鸟、乌鸦、灰掠鸟等，其中以啄木鸟破坏最为严重1。典型的光缆被鸟啄损坏的情况如图1所示。从图1中光缆损坏点的形状可以看到，鸟啄光缆过程中是定点啄击，严重程度侵入光缆套管，造成光纤断裂。图1：光缆被鸟啄损坏状况目前，普通架空光缆防鸟啄的手段主要有金属铠装或外部增加铁丝网等，在电网系统中常用的全介质自承式光缆的防鸟啄损害的手段通常是采用FRP（玻璃纤维增强树脂）非金属铠装。本文通过了解啄木鸟的特性和行为，并以此为基础探索评判金属铠装光缆和非金属铠装光缆的防鸟啄性能的测试方法，可以试验验证光缆产品的防鸟啄性能，提高光缆产品的设计开发质量和效率。2.啄木鸟的特征目前没有相关的资料介绍啄木鸟啄击光缆的原因。可查询到的对啄木鸟的研究更多的是啄木鸟高速啄击而不会脑震荡的机理，以及运用这防撞机理研究人类防护和开发特殊设备的技术。2.1 从文献资料得知，啄木鸟本身属于小型鸟类，体重只有5080克左右，体长也仅有2030厘米，啄木鸟头部质量的数据基于文献资料分别为0.0043千克2和0.009千克3。但是啄木鸟的生存技能十分强大，啄木鸟鸟喙在接触树木的瞬间速度高达25千米/小时，啄击接触时间为0.5ms1ms，冲击力最大达到93N，啄击频率为15HZ28HZ2，它每天能吃掉1500只左右的害虫，每天能够用尖尖的喙啄木超过1000下。多项研究对啄木鸟的啄取过程进行仿真，仿真得到的结防鸟光缆的测试方法探讨 吴祥君1 赵坤祥1 唐子红1 唐喜洪1 刘杰1 黑鹏1 邱勇1 钱镇国2（1.成都亨通光通信有限公司 四川 成都 610000）（2.浙江东通光网物联科技有限公司 浙江 湖州 313000）PAGE038电缆及光缆Cables&Optical Cables果如表1所示。表1：啄木鸟鸟喙接触树木瞬间的速度（米/秒）根据表1，啄木鸟的啄取瞬间速度平均为4.5米/秒，统计速度中位值为3.828米/秒。2.2 啄木鸟鸟喙的形状和硬度决定其啄取效率，由于没有活体啄木鸟作为研究对象，只能从图片和资料获取，啄木鸟的图片如图2和图3所示，从图片查看以及文献对啄木鸟的描写，啄木鸟鸟喙如锥子，像木工凿子般锋利。图2：啄木鸟 图3：啄木鸟头部骨架在多个图片上测量鸟喙端部的角度数据如表2所示。表2：图片测量的鸟喙角度表2中的角度均值27.8，中位数27.5，第三四分位数30.5。2.3 鸟喙表层是类似人指甲的角质，光滑且坚韧，其硬度在莫氏硬度表中的等级是2.5。3.仿生工装仿生工装的关键部件是仿鸟喙尖端的圆锥形冲击头，在设计时参考啄木鸟鸟喙的形状、材质硬度等，结合现有的光缆冲击性能试验设备的冲击杆参数，冲击头材质采用用金属材料。3.1 仿鸟喙冲击头的设计主要参考啄木鸟鸟喙的形状，通过图片测量的鸟喙前端的角度可能比实际的大，主要原因是照片的拍摄角度不同，导致类似圆锥形的鸟喙顶角的测量值变大，而且鸟喙合在一起时的外形实际是椭圆锥，因此，通过图片测量的鸟喙角度值也有较大的分散性，为设计和加工便利，仿生鸟喙为圆锥形，其顶角为30度、顶部直径0.5mm。初步设计的仿鸟喙冲击头工装如图4所示。3.2 鸟喙的材质为类似指甲的角质，其莫氏硬度表等级为2.5，仿鸟喙冲击头的材质的莫氏硬度表等级应大于2.5，初期试验可以采用铜质材料制作工装，后期应采用更高硬度且坚韧的材料，降低工装测试消耗。3.3 仿鸟喙冲击头可安装于现有的光缆冲击性能试验设备，通过调节冲击锤的质量和下落高度，初步试验光缆护套的抗鸟啄冲击的性能。图4：仿鸟喙冲击头4.试验设计为了解圆锥形冲击头刺入光缆护套时的力学特点，试验设计时采取冲击和连续加力两种方式。冲击试验是利用现有的光缆冲击性能试验机，在光缆的设定试验点上多次冲击，通过观察冲击后光缆护套的形变情况，了解其抗鸟啄冲击的性能。连续加力试验是利用电子拉力试验机加载仿鸟喙冲击头，在光缆表面设定的位置以一定的速度刺入护套，通过记录加力过程中力值的变化，了解光缆护套层的变化过程，比较不同材料和结构的光缆护套的抗尖刺能力。4.1 冲击试验设计啄木鸟啄取树木时，鸟喙接触树木的瞬间速度最高，鸟的头部具有最高的动能和动量，在鸟喙接触树木后，鸟头动能转化为对树木做的功而使木质素断裂。我们利用冲击锤的势能转化为冲击头对光缆护套层做的功，使护套材料产生形变，模拟鸟啄光缆的能量传递过程。从啄木鸟的特征描述得知，啄木鸟头部质量为9克，啄击速度的平均值为4.5米/秒，用公式（1）可以计算啄木鸟头部的动能Ek，相应地确定用于自由落体冲击的冲击锤的势能Ep=Ek，用公式（2）可以确定一定质量的冲击锤下落高度。仿真1仿真2仿真3最高速度4.0563.43.66.944测量1测量2测量3测量4测量5测量6303224272826PAGE039电缆及光缆Cables&Optical Cables Ek=mv2 （1）Ep=mpgh （2）式中m啄木鸟的头部质量（千克）v啄木鸟鸟喙接触树的瞬时速度（米/秒）mp冲击锤的质量（千克）g重力加速度9.8米/秒2h冲击锤下落高度（米）现有的光缆冲击试验平台上有125克以及250克的冲击锤，考虑到使用的习惯，我们采用250克的冲击锤进行试验。试验参数设计如表3所示。表3：试验参数表4.2 连续加力试验设计设计连续加力试验是模拟鸟啄光缆护套的深度变化所受到的阻力变化，观察仿鸟喙冲击头刺入护套后所受阻力随深度变化的情况，可以了解不同护套结构的抗锥刺的能力。试验在电子拉力试验机上进行，仿鸟喙冲击头安装固定在压力传感器下，光缆样品通过夹持台安装在移动端，试验速度为5mm/min，加力距离为4mm，基本超过了光缆护套结构厚度。5.试验过程及现象5.1 冲击试验现象冲击试验光缆样品的型号分别为GYTS，GYTS04，GYFTKY83，GYXTY，光缆结构如图5-a、b、c、d所示，分别进行20次、50次、100次冲击试验，试验现象描述如表4所示。a：GYTS b：GYTS04 c：GYFTKY83 d：GYXTY图5：试验光缆结构示意图表4：试验现象表试验现象特征如图6，图7，图8，图9所示。图6：GYXTY的外护层贯穿图示 图7：GYTS04的铠装钢带凹陷图示 图8：GYTS的铠装钢带贯穿图示 图9：FRP外表面痕迹图示造成以上试验现象的原因初步分析如下：GYTS型光缆护套材料为中密度聚乙烯材料，其硬度较低，而且厚度小，对于仿生鸟啄冲击的抵抗能力较弱，容易被穿透，而且所用钢带的厚度0.105mm，抗穿刺能力不足，从冲击结果看到，钢带贯穿孔径随冲击次数增加而变大。GYTS04型光缆护套材料整体厚度达到2mm，外层尼龙厚度在0.5mm以上且硬度较高，可以较好限制啄击扩孔，由于护套层的阻挡，仿生冲击头传递到钢带的能量较小，且钢带厚度0.18mm，较大提高了抗穿刺的能力，在50次和100次冲击后，钢带的凹陷程度没有明显差异。GYFTKY83型的护套结构由内及外是缆芯内护套，0.5mm厚的扁平FRP（玻璃纤维增强树脂）铠装，HDPE外护套，在试验中发现，高密度PE有较好的硬度，在仿生冲击过程中，护套吸收绝大部分的能量，在经过50次和100次冲击后，冲击头对FRP的影响轻微。GYXTY型的外护厚度2mm，钢丝的直径为0.9mm，在100次以下的冲击试验后，在中心套管表面没有发现痕迹，在增加到200次冲击后，解剖发现套管仍无任何痕迹，说明钢丝可以抵挡冲击过程。序号项目单位数值备注1鸟头质量克92啄击速度米/秒4.5平均值3冲击锤质量克2504下落高度米0.05便于操作序号型号护套厚度20次冲击50次冲击100次冲击1GYTS1.6mm护套贯穿钢带贯穿护套贯穿钢带贯穿护套贯穿钢带贯穿2GYTS042mm护套贯穿钢带微凹陷护套贯穿钢带微凹陷护套贯穿钢带微凹陷3GYFTKY831.7mm护套无贯穿FRP带无痕迹护套贯穿FRP带微痕迹护套贯穿FRP带微痕迹4GYXTY2mm护套贯穿套管表面无痕迹护套贯穿套管表面无痕迹护套贯穿套管表面无痕迹PAGE040电缆及光缆Cables&Optical Cables5.2 连续加力试验现象连续加力试验采用的光缆样品为上述的4个型号光缆，加力试验结果如图10所示。图10：连续加力试验曲线从图10可以看到，外护层的材料不同，仿鸟喙冲击头刺入外护层的深度相同，其受到的阻力有较大的差异，图中的线6反映出高强度的尼龙层提供了较好的阻滞力，图中的线4和图中的线5反映出，普通的中密度聚乙烯护套料强度低，仿鸟喙冲击头的刺入力较小，图中的线8反映了高密度聚乙烯护套料的抗刺入性能较中密度聚乙烯的有明显的提高。图中各线的走势也可以看到，光缆的铠装层在仿鸟喙冲击头刺入的力学特点也不同，图中的线4反映出，GYTS型号的光缆铠装在穿刺力约为120N时破裂，其它3个样品的铠装层可以承受200N以上的穿刺力。6.定量化测试方法的设想以上的冲击试验需要通过解剖冲击点观察光缆护套的变化，只能定性说明其抗鸟啄的能力，而连续加力试验可以观察到光缆护套抗锥刺的性能，但不能反映间断性冲击的结果，后续工作需要设计一套可以对光缆样品护套的冲击形变以及冲击力等进行测量、记录、分析的装置，实现光缆抗鸟啄性能的量化分析。这装置可以利用光缆冲击性能试验机的冲击锤机构提供冲击能量并计次数，用一个激光位移传感器测量每次冲击后冲击头的位移即刺入护套的深度，再用一个压力传感器安装在样品夹持台下，记录每次冲击的冲击力的值，在取得位移和冲击力数据后，可以分析出光缆护套受到冲击后的变化趋势，拟合出直观的图线，以此反映光缆的抗鸟啄性能。根据以上试验现象，推测GYTS04样品经过20次冲击的冲击效果曲线如图11和图12所示。图11：GYTS04的冲击位移图12：GYTS04的冲击压力假设试验结果如图11和图12的拟合曲线所示，可以看到在第15次冲击后冲击头的位移值趋于稳定，基本符合外护层的厚度，且冲击力也趋于稳定，可以认为这型号的光缆样品具有较好的抗鸟啄冲击性能。7.总结7.1 从文献资料查找的关于啄木鸟的特征信息，是本测试方法的设计依据。在试验工装设计时，用圆锥模拟鸟喙，圆锥的顶角30度，可能比鸟喙的前端角度大，但由于试验光缆的护套层厚度不大，因此，顶角角度稍微偏大对试验结果的影响可以接受。依据文献资料介绍啄木鸟的啄取速度、啄取频率、啄取总数等综合估计了仿鸟啄冲击的能量水平，考虑啄木鸟连续啄击的速度不应是最高速度，从资料查到数据进行平均，取4.5米/秒，相对合理。啄木鸟的头部质量具有较大的差异，本方案设计时以目前查寻到的9克作为计算依据，对评估产品质量更严谨，可以更好地满足客户期望。7.2 试验中采取自由落体的势能转变原理，通过落锤冲击仿鸟喙冲击头对样品进行冲击，整个过程可以模拟鸟啄冲击。落锤质量250克，下落高度取值0.05米，势能偏大，但对测试结果的影响不会明显。7.3 综合以上4个型号光缆护套的测试实验现象并进行初步分析，测试结果反映了不同结构光缆的抗鸟啄冲击性能的差异，并以此设想了可以做定量测试的装置，本测试方法为抗鸟啄光缆设计开发提供了可行的评价方法。7.4 光缆的抗鸟啄冲击性能的测试试验工作将深入进PAGE041电缆及光缆Cables&Optical Cables行，从护套材料性能，护套结构特点等多方面探讨光缆的抗鸟啄性能，同时收集分析光缆在使用过程中发生的鸟啄损害样品，寻找抗鸟啄光缆的设计规律，进而探索光缆抗鸟啄性能的技术标准。1 王正刚，宋海燕，张卫强，等.浅谈我国防鸟光缆的现状与未来发展方向J.通信光缆电缆，2013(04).2 孙洪涛，刘金国.基于啄木鸟的仿生啄取采样机构研究D.东北大学硕士学位论文，2015年Y3380623.3 Sang-Hee Yoon and Sungmin Park.A mechanical analysis of woodpecker drumming and its application to shock-absorbing systems.Bioinspiration&BiomimeticsJ.2011(01).参考文献作者简介吴祥君，1965年生，男，毕业于西安交通大学电气绝缘技术专业，本科学位。长期从事电线电缆、光纤光缆的技术开发工作，现就职于成都亨通光通信有限公司，任制造研发高级工程师，主要负责新品研发与调研工作。