DE3226079C2

DE3226079C2 -

Info

Publication number: DE3226079C2
Application number: DE19823226079
Authority: DE
Inventors: William Conrad Lewis Durham N.C. Us Weinraub
Original assignee: AT&T Technologies Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1981-07-17
Filing date: 1982-07-13
Publication date: 1989-03-30
Also published as: DE3226079A1; ES514079A0; ES8308650A1; CA1176092A; GB2105381A; NL8202891A; GB2105381B; JPS5825011A; FR2509903B1; FR2509903A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Kabel mit einem zylindrischen Kabelkern und einer äußeren Verseillage, deren wenigstens ein Verseilelement unter einem Schlagwinkel verseilt ist.

Kabel mit einer oder mehreren Verseillagen sind in vielfältigen Anwendungsformen bekannt, darunter als Nachrichtenübertragungskabel, wie Koaxialkabel, vielpaarige Kabel oder Lichtleiterkabel. Unter "Verseillage" wird auch ein äußerer schraubenförmiger Wickel verstanden, der als Armierung eines solchen Kabels dient. Weitere schraubenförmige Wickelelemente schließen Streifen, Junststoffbänder, Schnüre und dergleichen ein. Schraubenförmige Verseilelemente aus leitendem Material können auch bei der Übertragung von elektrischer Leitung oder elektrischer Information verwendet werden.

Derartige schraubenförmige Verseilelemente führen typischerweise zu einem Drehmomentverhalten des Kabels, wenn keine Schritte dagegen unternommen werden. Wenn demgemäß eine axiale Kraft an das Kabel angelegt wird, die zu dessen Längung führt, ist eine Dreh-Neigung des Kabels zu bemerken. Je nach der Ausbildung des Kabels kann diese Drehung entweder in der Richtung erfolgen, welche den schraubenförmigen Wickel enger macht oder in der Richtung, welche zur Lösung bzw. Abwicklung des Wickels führt. Wenn das Kabel von einer Trommel abgewickelt wird oder während der Installation in anderer Weise gehandhabt wird, kann dieses Dreh-Verhalten in einigen Fällen dazu führen, daß das Kabel knickt. Die Dreh-Tendenz kann auch zu anderen Schwierigkeiten bei der Verlegung führen. Das Dichterwerden oder Lockerwerden des schraubenförmigen Elements kann ferner die Güte des Kabels nachteilig beeinflussen.

Es ist möglich, der Dreh-Tendenz von einer oder mehreren schraubenförmigen Verseillagen dadurch entgegenzuwirken, daß für eine entgegengesetzte Dreh-Tendenz in einer anderen schraubenförmigen Verseillage gesorgt wird ("Kabel- und Leitungen" von Jan Artbauer, Berliner Union Stuttgart, S. 158-167). Beispielsweise kann der Wirkung einer Verseillage in der einen Richtung durch eine darüberliegende Verseillage in der entgegengesetzten Richtung entgegengewirkt werden. Untersuchungsmethoden zur Analyse der Dreh-Tendenz von verseilten Kabeln sind entwickelt worden, um den Schlagwinkel eines entgegenwirkenden Verseilelements zu berechnen, beispielsweise in dem Aufsatz "Mechanical Characterization of Cables Containing Helically Wrapped Reinforcing Elements" von T. C. Cannon und M. R. Santana in den "Proceedings of the 24th International Wire and Cable Symposium" (1975) Cherry Hill, New Jersey.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kabel mit einem schraubenförmigen Verseilelement zu versehen, welches einen zylindrischen Kabelkern umgibt und im wesentlichen keine Drehtendenz erzeugt, wenn das Kabel axial belastet wird.

Nach der Erfindung wird der Schlagwinkel R des Verseilelementes gemäß der Formel

R=tan^-1[N ^-1/2]

gewählt, wobei

und R _c der Radius des Kerns, L _c die Länge eines zu testenden Kernabschnitts, Δ L _c die Längenänderung dieses Kernabschnitts infolge einer gewählten axialen Zugspannung und Δ R _c die entsprechende Änderung des Radius des Kerns infolge der gewählten Zugspannung bedeutet.

Diese und weitere Merkmale der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnung im nachfolgenden näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen Prüfaufbau zur Bestimmung der Parameter, die zur Errechnung des Schlagwinkels des Verseilelementes verwendet werden, und

Fig. 2 ein optisches Faserkabel mit einer schraubenförmigen Bewehrungsschicht gemäß Erfindung.

In der nachfolgenden Beschreibung wird ein mit äußeren Verseilelementen umwickeltes Kabel behandelt, wobei ein Null-Drehmomentverhalten in einer einzelnen Verseillage erhalten wird, d. h., die Verseillage, ein äußerer schraubenförmiger Wickel, überträgt kein Drehmoment auf den Kabelkern, wenn am Kabel gezogen wird. Wenn demnach der Kabelkern ein im wesentlichen Null-Drehmomentverhalten vor der Entwicklung mit dem Verseilelement hat, erhält das resultierende Kabel mit dem Verseilelement ebenfalls ein im wesentlichen Null- Drehmomentverhalten, wenn eine axiale Spannung angelegt wird.

Wie in der erwähnten Schrift von Cannon und Santana gezeigt, steht die Spannung im Verseilelement (ε _s) zur axialen Spannung im Kabel gemäß folgender Gleichung (1) in Beziehung:

ε _s=ε _c(cos²R-N sin²R)-Φ(Π R _s sin 2 R) (1).

Dabei ist ε _c die axiale Spannung im Kabel, R der Schlag oder Steigungswinkel des Verseilelements (der Winkel zwischen der Längsachse des Kabelkerns und der Achse des Verseilelements), R ist die Kabeldrehung in Drehung pro Längseinheit infolge der axialen Spannung, R _s ist der radiale Ort des Verseilelements und N ist die radiale Dehnung pro Einheit der axialen Dehnung, die der Kabelkern bei dem Verseilelement infolge der axialen Spannung erfährt, und zwar gemäß der Gleichung (2):

wobei R _c der Radius des Kerns ist, auf welchem das Verseilelement gewickelt ist, und L _c die Länge eines Abschnittes des Kerns bedeutet.

Es wurde festgestellt, daß ein Null-Drehmomentverhalten erhalten werden kann, indem die Gleichung (1) wie folgt gelöst wird: Durch Auferlegung der Randbedingung Null- Drehung (R=0), folgt aus Gleichung (3):

ε _s=ε _c(cos²R-N sin²R) (3).

Unter der Bedingung des Drehmoments Null wird ε _s, die Dehnung im Verseilelement, zu Null. Dies trifft ein, wenn der Schlag bzw. Steigungswinkel 0 gemäß folgender Gleichung gewählt wird:

R=tan^-1 [N^-1/2] (4).

Durch Einsetzen der Werte Δ R _c/R _c und Δ L _c/L _c kann der Schlagwinkel bestimmt werden, bei welchem das Drehmoment Null erzielt wird.

Ein Prüfaufbau zur Bestimmung dieser Werte ist in Fig. 1 gezeigt. Die Quelle zur Erzeugung der Spannung kann eine ziehende Ratschwinde 11 sein, die mit dem Kabelkern über ein viertelzölliges Stahlseil 12 verbunden ist. Ein Haken 13 ist über eine schwenkbare Verbindung mit dem Seil 12 und über eine Greifeinrichtung 14 mit dem getesteten Kabelkern 16 verbunden. Eine weitere Greifeinrichtung 17 dient zur Befestigung des zu testenden Kabelkerns mit einer Lastmeßeinrichtung 18, die wiederum bei 19 ortsfest befestigt ist. Es kann eine Meßdose Tyco Modell JP-2000 der Data Instruments Inc. verwendet werden. Ausgehend von einer gegebenen Spannungsbedingung, beispielsweise Null, wird die Längenänderung des Kabelkerns über eine bestimmte Meßlänge L infolge des angelegten Zugs ermittelt. Die Meßlänge wird unter Berücksichtigung des durchhängenden Kabelkerns einschließlich von Durchhang ermittelt. Dadurch liegt der Wert von L _c fest, während die Längsänderung Δ L _c gemessen wird. Ebenso wird der Durchmesser des zu testenden Kabelkerns gemessen, beispielsweise durch einen Instron Querdehungssensor des Modells 6-57-11. Der Durchmesser wird unter den gleichen Spannungszuständen gemessen, bei denen die Meßlänge bestimmt wird, und dann wiederum beim gleichen angelegten Zug, bei dem Δ L _c gemessen wird. R _c entspricht dem halben Durchmesser und Δ R _c der halben Durchmesseränderung unter den erläuterten angelegten Spannungen.

Die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Bestimmung von N wird verbessert, wenn die obigen Daten über eine Serie von unterschiedlichen Spannungen gemessen und die erhaltenen Werte von N gemittelt werden. Eine noch bessere Methode in vielen Fällen besteht darin, die erhaltenen Daten von aufeinanderfolgenden Messungen in eine Regressionsformel einzufügen; die Methode der kleinsten quadratischen Abweichung kann verwendet werden. Wenn die Spannung Null bei einigen sehr kleinen Vorspannungen angenommen wird, kann die Formel (5) verwendet werden, wobei ε _r die radiale Dehnung des Kerns, e _L die axiale Dehnung des Kerns und K eine Konstante ist.

ε _r=-N e _L+K (5)

In dieser Formel wird jeder Satz von Datenpunkten Δ R _c/R _c, Δ L _c/L _c diagramm-mäßig aufgetragen oder in anderer Weise auf einen Schrieb aufgezeichnet, wobei e _r und ε _L die Koordinatenachsen darstellen. Die Werte von N und K werden dann so gewählt, daß eine Linie mit einer minimalen (kleinste Fehlerquadrate) Abweichung von den Daten erhalten wird. Alternativ kann eine numerische Berechnung verwendet werden, um N und K aus den Datenpunkten gemäß bekannten Methoden zu erhalten.

Diese Verfahrensweise ist erfolgreich auf ein Lichtleiterkabel angewendet worden. Bei Lichtleiterkabeln ist es wichtig, die Gefahr des Kabelknicks während der Verlegung zu reduzieren. Dies wird erleichtert, wenn eine Bewehrungsschicht auf dem Kabel mit dem Null-Drehmomentverhalten erzielt wird. Als Beispiel der angewendeten Verfahrensweise wird ein Lichtleiterkabel mit optischen Fasern gemäß US-PS 42 41 979 gemessen, um den richtigen Steigungswinkel einer schraubenförmigen Bewehrungsschicht zu bestimmen.

Beispiel

Ein Lichtleiterkabel, wie im wesentlichen in Fig. 2 gezeigt, ist gemäß folgender Beschreibung aufgebaut. Als Kern des Kabels werden alle Teile innerhalb der schraubenförmigen Bewehrungsschicht 209, 210 angesehen. Im Mittelpunkt des Kerns ist ein Raum für Lichtleiter 201, die in Form von Bändern gepackt sein können. Typischerweise weist jedes Band 201 zwölf optische Fasern auf, wobei aus Darstellungsgründen weniger gezeigt worden sind. Die Bänder können in verdrillter Form eingebaut sein, wobei eine Dehnung auf 46 cm bei dem gezeigten Kabel kommt. Ein ungesintertes Polytetrafluoräthylen-Band von ca. 21 mm Breite, 0,08 mm Dicke ist in Längsrichtung mit überlappenden Saum über die Bänder 201 aufgebracht und wirkt als thermische Barriere. Ein Rohr 202 aus Polytetraäthylen ist über das Polytetrafluoräthylen-Band extrudiert und wirkt als Schutzkammer für die Bandstruktur. Es wird Hochdruckpolyäthylen verwendet und mit kontinuierlicher Extrusion gearbeitet. Der Innendurchmesser beträgt 6,35 mm und die Wanddicke 0,71 mm. Ein gesponnenes Polyester-Band 203 liegt über dem Polyäthylen-Rohr und ist 2,54 cm breit und 0,2 mm dick. Das Band liegt in Längsrichtung mit überlappendem Saum. Die nächste Schicht weist 14 Drähte 204 aus rostfreiem Stahl des Typs 302, die jeweils einen Durchmesser von 0,43 mm haben, auf. Die Drähte komplettieren eine Windung im Längsabstand von 25,4 cm. Über den Stahlplatten liegt ein Mantel aus Hochdruckpolyäthylen 205, welches kontinuierlich extrudiert wurde und eine Wandstärke von 0,69 mm sowie einen Außendurchmesser von 9,78 mm besitzt. Ein gesponnenes Polyester-Band 206 wird dann angelegt, wobei das Band 2,54 cm brei und 0,2 mm dick ist. Das Band wird in Längsrichtung aufgelegt, und es wird ein Spalt von ungefähr 5,6 mm gelassen. Die nächste Schicht besteht aus 14 Drähten 207 aus rostfreiem Stahl des Typs 302, und zwar mit entgegengesetzter Schlagrichtung zu den vorhergehenden Drähten bei einer Schlaglänge von 38,4 cm. Der Drahtdurchmesser beträgt 0,43 mm. Die nächste Schicht wird durch einen Mantel aus Polyäthylen 208 gebildet, in welchen die Stahldrähte eingebettet sind. Die Dicke des Mantels beträgt 1,02 mm, der Außendurchmesser 12,2 mm. Dieser Kabelkern zeigt im wesentlichen ein Null-Drehmomentverhalten.

Der Kabelkern war im experimentellen Aufbau gemäß Fig. 1 zur Bestimmung des Wertes von N verwendet worden. Der Kabelkern war genügen lang, um eine Meßlänge von ungefähr 297 cm als Durchhang zwischen den Rollen 15 zu bilden. Der Durchmesser des Kabels wurde ungefähr in der Mitte gemessen, und zwar mit dem Instron Dehnungssensor. Es wurde Zug auf das Kabel mit Hilfe der Winde 11 angelegt, was zu einer Längung Δ L _c von 0,79 mm führte. Der Dehnungssensor wurde erneut zur Messung des Durchmessers und zur Bestimmung des Wertes von Δ R _c verwendet. Der axiale Zug durch die Winde wurde vergrößert, um eine zusätzlich Längung von 0,79 mm zu erzeugen, und die Messungen wurden wiederholt. Dieses Verfahren wurde bei 24 aufeinanderfolgenden Spannungswerten ausgeführt, wodurch eine Gesamtlängung von 1,91 cm erhalten wurde. Für jeden unterschiedlichen Spannungswert wurden die Werte von Δ L _c/L _c und Δ R _c/R _c bestimmt. Nach Erhalt der gesamten Datenpunkte wurden die Werte von N und K nach dem Verfahren der kleinsten Fehlerquadrate für die Gleichung (5) bestimmt. Drei separate Serien von Dehnungen, die jeweils von ungefähr der Spannung Null ausgingen, wurden durchgeführt. Der Mittelwert von N wurde dabei zu 0,32 bestimmt. Dabei wurde unter Benutzung der Gleichung (4) der Wert des Schlagwinkels R errechnet, und zwar zu ungefähr 57°. Dies führt für den beschriebenen Kabelkern zu 12 Windungen pro 0,3 m der schraubenförmigen Bewehrungsschicht. Eine richtige Bewehrungsschicht umfaßt zwei schraubenförmige Stahlwinkel mit einem Schlagwinkel von 57°. Jeder Winkel hatte die folgenden Merkmale: 16,3 mm Breite, 0,127 mm Dicke, Überlappung 5,59 mm auf jeder Seite. Diese Wickel können in zwei sich teilweise überlappenden Teilen 209, 210 angewendet werden, wie in Fig. 2 dargestellt, um sicherzustellen, daß keine Spalte während der Biegung des Kabels zustande kommt. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung können diese Wickel als Verseillage angesehen werden, dessen Verseilelemente den gleichen Steigungswinkel und die gleiche Schlagrichtung aufweisen, d. h. beide eine rechtshändige oder linkshändige Schraube bilden und im wesentlichen den gleichen Abstand vom Mittelpunkt des Kerns einnehmen. Statt abwechselnde Überlappungssäume vorzugeben, wie in Fig. 2 dargestellt, kann einer der Wickel so angelegt werden, daß er den anderen Wickel an beiden Kanten überdeckt. Zusätzliche Wickel können in ähnlicher Weise vorgesehen sein, und das Ganze kann doch noch als eine einzelne Verseillage betrachtet werden. Schließlich kann ein Mantel von Hochdruckpolyäthylen 211 über die schraubförmige Bewehrungsschicht extrudiert werden. Das erhaltene Kabel hat ein Drehmomentverhalten von im wesentlichen Null.

Um das Drehmomentverhalten eines Kabels zu bestimmen, besteht eine einfache Annäherung darin, die unbehinderte Verdrehung des Kabels zu messen, wenn dieses gespannt wird. Ein Kabel kann vertikal aufgehängt und mittels eines Gewichts gespannt werden. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird ein Kabel mit einem Drehmomentverhalten von im wesentlichen Null betrachtet, wenn die Kabelverdrehung weniger als 3 Drehungen pro 100 m des vertikal aufgehängten Kabels ausmacht, bei 1% Dehnung. Dieses Kriterium kann für andere Längen und andere Verdrehungswinkel entsprechend umgerechnet werden, d. h. eine Verdrehung von weniger als 0,3 Umdrehungen für ein 10 m langes Kabel, bei 1% Dehnung. Eine weitere Meßmethode, die im wesentlichen die gleiche Information liefert, besteht darin, das Drehmoment des Kabels zu messen, wenn dieses gegen Drehung festgehalten wird, und den Wert durch das Drehwiderstandsmoment bzw. die Torsionssteifigkeit des Kabels dividieren. Beispielsweise kann der experimentelle Aufbau nach Fig. 1 dazu verwendet werden, wenn ein Drehmomentmeßgerät anstelle der Druckmeßdose eingefügt wird. Ein passender Drehmomentwandler ist das Modell TQ 1600 der Vibrac Corporation. Für eine gegebene Dehnung wird das Drehmoment in Newton-Metern bestimmt. Dann wird die Torsionssteifigkeit der gleichen Kabellänge nach bekannten Verfahren bestimmt. Das Dehnungsmaß der Verdrehung, dividiert durch die Torsionssteifigkeit, ergibt eine Güteziffer mit den Einheitsdrehungen pro Meter auf die Dehnungseinheit. Auf ein Kabel mit einer Güteziffer von weniger als 3 Umdrehungen pro Meter auf die Dehnungseinheit, durch das Meßverfahren ermittelt, wird für die Zwecke der vorliegenden Erfindung als ein Drehmomentverhalten von im wesentlichen Null betrachtet. In einigen Fällen kann ein Wert kleiner als 1 Drehung pro Meter pro Dehnungseinheit in kommerzieller Praxis unter Verwendung der vorliegenden Technik erzielt werden.

Bei der modernen Kabelherstellung ist es möglich, einen Schlagwinkel innerhalb ±1° des Sollwerts zu erhalten. Beim Kabel des obigen Beispiels entspricht dies ±1/2 Drehung pro 0,3 m Differenz gegenüber dem Sollwert von 12 Umdrehungen pro 0,3 m.

Da eine im wesentlichen drehmoment-freie einzelne Verseillage existiert, ist ersichtlich, daß auch andere Techniken angewendet werden können, um den richtigen Schlagwinkel zu finden. Das direkteste Verfahren besteht einfach darin, den Schlagwinkel zu variieren, indem mehr oder weniger Windungen pro Längseinheit des Verseilelementes auf den Kern aufgebracht werden und das Drehmomentverhalten des Kabels zu testen. Auf diese Weise kann eine im wesentlichen drehmomentfreie äußere Verseillage erhalten werden. Normalerweise hat der Kern, auf den eine solche drehmomentfreie äußere Verseillage aufgebracht wird, im wesentlichen ein Drehmomentverhalten von Null. Deshalb hat auch das Gesamtkabel ein Drehmomentverhalten von im wesentlichen Null. Es ist jedoch auch möglich, eine äußere Verseillage mit Drehmomentverhalten Null gemäß der vorliegenden Technik auf Kerne aufzubringen, welche kein Drehmomentverhalten von im wesentlichen Null aufweisen. Wenn bei dem erhaltenen Kabel die Verdrehung verhindert wird, dann ist das Drehmomentverhalten im wesentlichen das gleiche wie das des Kerns vor Anlage des Verseilelementes.

Der Wert von N in Gleichung (4) kann auch durch andere Verfahren bestimmt werden als die beschriebene Testmethode. Wenn beispielsweise der Kern aus einem im wesentlichen isotropen, inkompressiblen Material besteht, kann der Wert von N theoretisch errechnet werden, und zwar zu 0,5. Bei nichtisotropem Kernmaterial wird die obige experimentelle Methode zur schätzungsweisen Ermittlung von N verwendet, insbesondere wenn N vom obigen theoretischen Wert um mehr als 10% abweicht, d. h. wenn N kleiner als 0,45 oder größer als 0,55 ist. Verseillagen, die nicht zur Bewehrung dienen, können ebenfalls angewendet werden, beispielsweise Bandwickel oder Seilwickel. Derartige Variationen und Abweichungen werden zur Erfindung gehörig betrachtet.

Claims

1. Kabel mit einem zylindrischen Kabelkern (201-208) und einer äußeren Verseillage, deren wenigstens ein Verseilelement (209, 210) unter einem Schlagwinkel (R) verseilt ist. dadurch gekennzeichnet, daß der Schlagwinkel (R) des äußeren Verseilelementes (209, 210) R=tan^-1[N ^-1/2]beträgt, wobei und
R _c Radius des Kerns (201-208),
L _c Länge eines zu testenden Kernabschnittes,
Δ R _c Längenänderung des Kernabschnittes infolge einer gewählten Zugspannung und
Δ R _c Änderung des Kernradius infolge der gewählten (zugehörigen) axialen Zugspannung ist.

2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kabelkern (201-208) mindestens eine optische Faser oder einen Lichtleiter (201) aufweist.

3. Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verseillage (209, 210) metallische Bewehrungen enthält.