CN115954142A - 光电复合中性缆 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电线电缆技术领域，尤其涉及一种光电复合中性缆，包括线芯，线芯包括承力单元、发泡骨架、电单元和光单元，承力单元穿设于发泡骨架的中心，发泡骨架的外表面沿轴向间隔开设有若干个螺旋凹槽，电单元和光单元一一装嵌于螺旋凹槽中，线芯的表面设置有包带层，包带层外设置有外护层。上述光电复合中性缆以发泡材料为骨架，结构明了，工艺简单，使得中性缆在水中的密度与水的密度相等或略小于水的密度，在同等条件下能够做到外径最小，降低了设计难度，节约了验证成本。
Description
技术领域
本发明涉及电线电缆技术领域，尤其涉及一种光电复合中性缆。
背景技术
水下勘测技术是水下资源开发技术的重要组成部分，在海洋资源开发、海底电缆运维及故障探测、海底调查、隧洞检测、水下救援等领域具有十分重要的作用，随着水下勘测技术的发展，水下机器人(ROV)的应用逐渐增多。一般而言水下勘测的环境都十分恶劣且危险，ROV因其下水出水灵活性高、环境适应性好、作业效率高被广泛采用，可在高度危险环境、可见度低的水域代替人工水下长时间作业。
ROV在使用时，一般都需要使用到光电复合中性缆，光电复合中性缆是ROV与母船的重要连接脐带，具有拖曳、动力传输、通信信号传输的功能。中性缆一般由光纤、信号线、电源线等组成缆芯，缆芯外的加强层和加强层外面的保护套组成。ROV工作时，会通过中性缆传输电力和通信信号，依靠中性缆的加强层实现ROV设备的拖拽。通常中性缆被设计为在水中零浮力特点，减少ROV能源消耗，尤其是观测型ROV，不会影响到它的机动灵活性和作业能效，另外受到收放线设备的影响，外径小的中性缆更受青睐。
然而，现有中性缆有以下几点缺陷：
1)自重偏大，其综合密度仍旧大于水的密度，长距离检测作业时，缆的自重导致水下工作的ROV负担过大，影响其水下的灵活度，降低了ROV在水下勘探的效率，并且电缆的自重也增加了母船上设备的使用负重；
2)随着探测水域深度的提高，水下压力增大，现有的中性缆由于内部缺少抗压骨架式结构，导致电缆发生较大程度的形变，严重时影响数据的传输，同时因为电缆被压扁，收放电缆的绞车排线难度增加，不利于施工；
3)为了达到零浮力性能的目的，传统解决方案是通过增大电缆的整体排水量，降低电缆对于水的相对密度，现有中性缆的结构是以功能单元绞合线芯为中间缆芯，向外依次设置增强层、发泡层和外护层，这导致电缆的外径会很大，而且受到各结构层实际生产工艺的影响，最终电缆密度不受控，需要多次试制探索，验证成本大、周期长；
4)现有中性缆的增强层一般设置在缆芯外层，当增强层负担拖拽作用时，缆芯被拉紧，影响信号线的工作；当ROV工作的所需拖拽力值较小时，增强层强度往往存在较大的裕度，这是因为缆芯直径较大，以芳纶纤维为例，需要在缆芯外缠绕或编织芳纶，需要一定绞入率，虽满足拉伸极限却也存在着多余的增强材料，导致电缆整体重量上升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光电复合中性缆，提高电缆整体结构性，控制其在水中的密度、外径和重量，降低设计难度，节约验证成本。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种光电复合中性缆，其包括线芯，线芯包括承力单元、发泡骨架、电单元和光单元，承力单元穿设于发泡骨架的中心，发泡骨架的外表面沿轴向间隔开设有若干个螺旋凹槽，电单元和光单元一一装嵌于螺旋凹槽中，线芯的表面设置有包带层，包带层外设置有外护层。
特别地，承力单元包括由高强度纤维经加捻、编织或缠绕得到的抗拉绳，高强度纤维为或添加有阻水性能纤维，或者在纤维加捻、编织或缠绕工艺当中涂抹阻水胶，抗拉绳的表面涂覆有用于提高与发泡骨架结合性的粘合剂。
特别地，发泡骨架采用发泡聚氨酯或发泡聚乙烯材料，通过挤出机挤包在承力单元上，发泡骨架的材料密度为0.1g/cm3～0.9g/cm3，占据缆截面40％～60％。
特别地，六个螺旋凹槽圆周均布于发泡骨架的外缘，三个电单元和三个光单元交错分布且不接触。
特别地，螺旋凹槽与电单元、光单元、包带层的间隙中添加阻水材料，实现纵向阻水。
特别地，电单元用于电力传输，包括导线和绝缘层，导线的截面根据终端设备的用电需求设定，绝缘层采用交联聚乙烯材料挤包在导体上。
特别地，光单元用于信号传输，包括光纤、金属套管和塑料层，光纤穿设于金属套管中且填充有油膏，塑料层挤包于金属套管的表面，光纤于金属套管中留有余长，塑料层的密度为0.8g/cm3～1.0g/cm3。
特别地，包带层用于成缆时扎紧线芯，包带层的带材为阻水带或金属塑料复合带，用于纵向阻水或用作电极。
特别地，外护层采用聚氨酯材料通过挤出工艺包覆在包带层上。
特别地，单位长度中性缆中所有材料的总质量等于中性缆浸在水中所排开水的质量，即m＝ρ水*V排。
综上，本发明的有益效果为，与现有技术相比，所述光电复合中性缆以发泡材料为骨架，结构明了，工艺简单，使得中性缆在水中的密度与水的密度相等或略小于水的密度，在同等条件下能够做到外径最小，降低了设计难度，节约了验证成本。
附图说明
图1是本发明实施例提供的光电复合中性缆的截面示意图；
图2是本发明实施例提供的光电复合中性缆中发泡骨架的示意图；
图3是本发明实施例提供的光电复合中性缆中发泡骨架成型模具的示意图。
图中：
1-承力单元；
2-发泡骨架；21-螺旋凹槽；
3-电单元；31-导线；32-绝缘层；
4-光单元；41-光纤；42-金属套管；43-塑料层；44-油膏；
5-包带层；
6-外护层。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的零部件或具有相同或类似功能的零部件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，可以是机械连接，也可以是电连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一特征和第二特征直接接触，也可以包括第一特征和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
请参阅图1和图2所示，本优选实施例提供一种光电复合中性缆，其包括线芯，线芯包括承力单元1、发泡骨架2、电单元3和光单元4，承力单元1穿设于发泡骨架2的中心，发泡骨架2的外表面沿轴向间隔开设有若干个螺旋凹槽21，电单元3和光单元4一一装嵌于螺旋凹槽21中，线芯的表面设置有包带层5，包带层5外设置有外护层6。
其中，承力单元1包括由高强度纤维经加捻、编织或缠绕得到的抗拉绳，高强度纤维可以是高强度纤维芳纶、高分子量聚乙烯纤维或其它等效非金属增强材料，使得中性缆具备载重、抗拉能力，同时纤维重量小、降低中性缆重量。
进一步地，高强度纤维为或添加有阻水性能纤维，或者在纤维加捻、编织或缠绕工艺当中涂抹阻水胶，使得中性缆的抗拉绳具备阻水能力。
其中，发泡骨架2优选采用发泡聚氨酯、发泡聚乙烯材料或其它等效发泡材料，通过挤出机挤包在承力单元1上，挤出机模套采用特殊的成型模具，其型腔如图3所示，在挤出发泡材料时转动异形模具，使得塑料表面形成规则的螺旋凹槽21，异形模具的转动速度、转动方向由成缆工艺决定。
此处发泡骨架2的材料密度为0.1g/cm3～0.9g/cm3，为中性缆在水中达到零浮力指标的关键体，具备一定的强度和硬度，结构中起到骨架支撑作用，使得中性缆的抗弯曲、抗拉伸、抗压扁以及抗扭转性能得到提升。
本实施例中，以六个螺旋凹槽21圆周均布于发泡骨架2的外缘示例，三个电单元3和三个光单元4交错分布且不接触，电单元3、光单元4按成缆工艺，同向螺旋缠绕在螺旋凹槽21中，由于螺旋凹槽21的节距较低，在中性缆拉伸时各单元不会承力，
进一步地，当发泡骨架2、包带层5、电单元3和光单元4间有阻水要求时，会在成缆时在螺旋凹槽21与电单元3、光单元4、包带层5的间隙中添加阻水材料如阻水胶充满其间隙，起到纵向阻水作用。
其中，电单元3用于电力传输，包括导线31和绝缘层32，导线31的截面根据终端设备的用电需求设定，绝缘层32采用机械性能好、化学性能稳定的交联聚乙烯或其他等效绝缘材料挤包在导体上。
其中，光单元4用于信号传输，包括光纤41、金属套管42和塑料层43，光纤41穿设于金属套管42中且填充有油膏44，光纤41于金属套管42中留有余长，即使中性缆的使用工况变得极其恶劣，金属套管42受力，而光纤41不受影响，在此期间信号可以正常传输，塑料层43通过挤出工艺挤包于金属套管42的表面，塑料层43的密度为0.8g/cm3～1.0g/cm3，起到缓冲和防水作用。
其中，包带层5用于成缆时扎紧线芯，包带层5的带材可以是无纺布、金属塑料复合带/箔或其它等效带材，当是阻水带时，起到缆芯纵向阻水作用，当是金属塑复合带时充作电极用。
其中，外护层6采用聚氨酯材料通过挤出工艺包覆在包带层5上，聚氨酯拥有韧性好、耐磨、耐酸碱以及耐候性高等诸多性能，起到防水作用。另外，聚氨酯材料的护套的中性缆其终端可以做硫化密封的连接器，更好地实现与水下设备的连接。
此外，芳纶或其他等效增强材料和发泡塑料的粘结力差，因此抗拉绳在挤包发泡骨架2前，其表面可涂覆一层粘合剂,保证纤维材料与发泡材料的结合性，使得中性缆具有良好的整体性能。
由此，单位长度中性缆中所有材料的总质量等于中性缆浸在水中所排开水的质量，即m＝ρ水*V排。
综上，上述的光电复合中性缆具有以下优势：
(1)以发泡材料为骨架的中性缆，主体部分是发泡骨架2，密度在0.1g/cm3～0.9g/cm3，占据缆截面40％～60％，这使得中性缆的密度低，大范围整体的骨架式结构，使得发泡层具有较高的抗压扁能力，能够抵御深海的压力，同时也使得中性缆具备一定的弯曲刚度。
(2)增强用承力单元1设置在缆芯的中心部位，在承受拉力时不会影响到其它功能单元，表面被覆一层粘合剂，可以提高与发泡骨架2的结合性，使得中性缆具有良好的整体性能，且承力单元1由增强纤维集束到一块，满足同等工作拉伸力值，所用纤维材料最少，减轻中性缆重量。
(3)电单元3、光单元4放置在发泡骨架2的螺旋凹槽21内，外面包覆有包带层5和聚氨酯材质的外护层6，内外均有保护层，相邻单元不接触，不会互相摩擦，适合反复拖曳；螺旋凹槽21设置成较小截距，各单元定置在其中，当缆受到较大拉力时，单元不会承力拉断；螺旋凹槽21和各单元的间隙中添加阻水材料，使得中性缆在外护破损后可以有效阻止海水在其内部蔓延。
(4)以发泡材料为骨架的中性缆其外径较小，重量轻，外部圆整、内部坚实，更适用于大深度海域、大长度隧洞中作业ROV机器人的布放和回收。
以上实施例只是阐述了本发明的基本原理和特性，本发明不受上述实施例限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改变，这些变化和改变都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种光电复合中性缆，其特征在于，包括线芯，所述线芯包括承力单元、发泡骨架、电单元和光单元，所述承力单元穿设于所述发泡骨架的中心，所述发泡骨架的外表面沿轴向间隔开设有若干个螺旋凹槽，所述电单元和所述光单元一一装嵌于所述螺旋凹槽中，所述线芯的表面设置有包带层，所述包带层外设置有外护层。
2.根据权利要求1所述的光电复合中性缆，其特征在于，所述承力单元包括由高强度纤维经加捻、编织或缠绕得到的抗拉绳，所述高强度纤维为或添加有阻水性能纤维，或者在纤维加捻、编织或缠绕工艺当中涂抹阻水胶，所述抗拉绳的表面涂覆有用于提高与发泡骨架结合性的粘合剂。
3.根据权利要求1所述的光电复合中性缆，其特征在于，所述发泡骨架采用发泡聚氨酯或发泡聚乙烯材料，通过挤出机挤包在所述承力单元上，所述发泡骨架的材料密度为0.1g/cm3～0.9g/cm3，占据缆截面40％～60％。
4.根据权利要求1所述的光电复合中性缆，其特征在于，六个所述螺旋凹槽圆周均布于所述发泡骨架的外缘，三个所述电单元和三个所述光单元交错分布且不接触。
5.根据权利要求1所述的光电复合中性缆，其特征在于，所述螺旋凹槽与电单元、光单元、包带层的间隙中添加阻水材料，实现纵向阻水。
6.根据权利要求1所述的光电复合中性缆，其特征在于，所述电单元用于电力传输，包括导线和绝缘层，所述导线的截面根据终端设备的用电需求设定，所述绝缘层采用交联聚乙烯材料挤包在所述导体上。
7.根据权利要求1所述的光电复合中性缆，其特征在于，所述光单元用于信号传输，包括光纤、金属套管和塑料层，所述光纤穿设于所述金属套管中且填充有油膏，所述塑料层挤包于所述金属套管的表面，所述光纤于所述金属套管中留有余长，所述塑料层的密度为0.8g/cm3～1.0g/cm3。
8.根据权利要求1所述的光电复合中性缆，其特征在于，所述包带层用于成缆时扎紧线芯，包带层的带材为阻水带或金属塑料复合带，用于纵向阻水或用作电极。
9.根据权利要求1所述的光电复合中性缆，其特征在于，所述外护层采用聚氨酯材料通过挤出工艺包覆在所述包带层上。
10.根据权利要求1所述的光电复合中性缆，其特征在于，单位长度中性缆中所有材料的总质量等于中性缆浸在水中所排开水的质量，即m＝ρ水*V排。
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