способ прогнозирования времени безотказной работы световодов
Классы МПК: | G01N3/00 Исследование прочностных свойств твердых материалов путем приложения к ним механических усилий G01N3/26 исследование прочностных свойств при скручивании или навивке |
Автор(ы): | Шушпанов О.Е., Чаморовский Ю.К., Шварев А.Н., Демин И.Б., Дяченко А.А. |
Патентообладатель(и): | Институт радиотехники и электроники РАН |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-02-06 публикация патента:
20.12.2002 |
Изобретение относится к области измерения параметров деградации механической прочности волоконных световодов и оценки на основе таких параметров времени безотказной работы световодов. Способ прогнозирования времени безотказной работы световодов заключается в оценке значений механического напряжения
s, действующего на световод в процессе его эксплуатации, в нагружении световода контрольным растяжением
p1 в течение времени tp1 путем перемотки под нагрузкой всей длины световода на стандартной перемоточной машине в нормальных условиях и подсчете количества обрывов Np1 на единицу длины световода, осуществлении повторного аналогичного контрольного нагружения с параметрами
p2, tp2 специально выделенного отрезка световода в нормальных условиях и подсчете количества обрывов Np2 на единицу длины отрезка световода, в формировании нескольких статистически однородных ансамблей образцов световода для проведения испытаний в нормальных и эксплуатационных условиях. Дополнительно проводят испытания путем нагружения образцов световода из сформированных ансамблей одновременно напряжениями динамического кручения и статического осевого растяжения
t в нормальных и эксплуатационных условиях, рассчитывают значения разрушающих напряжений, определяют медианные значения прочности в нормальных и эксплуатационных условиях
dp0,5 и
dsp0,5, определяют значения параметров усталости в нормальных и эксплуатационных условиях nр и ns, определяют время безотказной работы световода в эксплуатационных условиях ts расчетным путем. Данное изобретение позволяет снизить стоимость испытаний световодов. 3 ил., 3 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
Формула изобретения
Способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, по которому оценивают значение механического напряжения![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194029/8776.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194011/8804.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194011/8804.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194117/969.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194117/969.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-35t.gif)
определяют медианные значения прочности в условиях эксплуатации световода
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194117/969.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194117/969.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-36t.gif)
определяют время безотказной работы световода по расчетной формуле
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-37t.gif)
где L - длина световода в оптическом кабеле;
Pf - вероятность отказа вследствие разрушения;
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
l - нагружаемая длина испытываемых образцов;
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194117/969.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194117/969.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-38t.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к измерениям параметров деградации механической прочности волоконных световодов и прогнозным оценкам времени их безотказной работы. Долговечность световодов ограничивается процессом хрупкого механического разрушения кварцевого стекла, из которого они изготовлены. Научной основой для прогнозирования времени безотказной работы световодов является феноменологическая теория деградации прочности, которая описывает процесс разрушения совокупностью двух параметров - (n, B) [1]. Параметр n - это экспонента уравнения медленного роста механических дефектов, В - параметр, зависящий от геометрии дефектов; оба параметра зависят от свойств материала световода и характеристик окружающей среды. Скорость разрушения увеличивается в местах расположения объемных и поверхностных дефектов световодов. Общепринято характеризовать дефект соответствующим значением инертной прочности. Инертная прочность Si - напряжение, при котором происходит разрушение, - является случайной величиной, распределенной по закону Вейбулла:![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-2t.gif)
где Pf - вероятность разрушения, t - безразмерная длина образца, m - параметр формы распределения, SM - параметр масштаба. Известен способ-аналог прогнозирования времени безотказной работы световодов [2] . По этому способу оценивают значение механического напряжения
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
- оценивают значение механического напряжения
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
- нагружают световод контрольным растяжением
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
- осуществляют повторное контрольное нагружение с параметрами
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
- формируют несколько статистически однородных ансамблей образцов световода, так что в каждом из ансамблей образцы характеризуются одним и тем же законом распределения дефектов (имеют одинаковые значения t, m и SM);
- проводят разрывные испытания образцов световода из сформированных ансамблей, нагружая их динамическим напряжением осевого растяжения, и рассчитывают значения разрушающих напряжений, используя формулу
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194005/960.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
- определяют медианные значения прочности в нормальных условиях
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
- определяют значение параметра усталости np в нормальных условиях, используя найденные медианные значения прочности
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
- определяют медианные значения прочности в условиях эксплуатации оптического кабеля
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
- определяют значение параметра усталости ns в условиях эксплуатации, используя найденные медианные значения прочности
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
- рассчитывают значение отношения параметров механической усталости в нормальных и эксплуатационных условиях:
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-3t.gif)
используя найденные медианные значения прочности
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-4t.gif)
где
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-5t.gif)
- определяют время безотказной работы световода по расчетной формуле:
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-6t.gif)
Здесь L - длина световода в оптическом кабеле, Pf - вероятность отказа вследствие разрушения,
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-7t.gif)
Для определения значения параметра усталости n, согласно прототипу, используют динамические испытания образцов световода на разрыв. Образцы нагружают напряжением осевого растяжения
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-8t.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-9t.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-10t.gif)
Таким образом, измеряя медианные значения динамической разрывной прочности нескольких ансамблей образцов
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-11t.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-12t.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-13t.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-14t.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
Подсчет количества обрывов Np1 и Np2 при выполнении двукратной перемотки световода с параметрами (
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
- оценивают значение механического напряжения
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
- нагружают световод контрольным растяжением
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
- осуществляют повторное нагружение специально выделенного отрезка световода в нормальных условиях контрольным растяжением
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
- формируют несколько статистически однородных ансамблей образцов световода для проведения испытаний в нормальных и эксплуатационных условиях;
- определяют время безотказной работы световода по расчетной формуле;
согласно изобретению
- проводят испытания путем нагружения образцов световода из сформированных ансамблей одновременно напряжениями динамического кручения и статического осевого растяжения
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194029/8776.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194125/981.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194251/920.gif)
- устанавливают значение статического осевого растяжения
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
10-3
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194011/8804.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194011/8804.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
(E - модуль Юнга материала световода. Для кварцевых световодов Е~7200 кгс/мм2);
- определяют медианные значения прочности в нормальных условиях
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194117/969.gif)
- определяют значение параметра усталости nр а нормальных условиях, используя зависимость медианных значений прочности
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194117/969.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-15t.gif)
- определяют медианные значения прочности в условиях эксплуатации световода
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194117/969.gif)
- определяют значение параметра усталости ns в условиях эксплуатации, используя зависимость медианных значений прочности
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194117/969.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-16t.gif)
- определяют время безотказной работы световода по расчетной формуле:
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-17t.gif)
При реализации предлагаемого способа необходимо выполнить несколько групп операций. Эти группы операций позволяют измерить значения параметров, характеризующих:
- силовое воздействие на световод в процессе эксплуатации:
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
- распределение крупных дефектов в световоде: Np1, Np2;
- процесс разрушения световода в лабораторных условиях:
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
- процесс разрушения световода в эксплуатационных условиях:
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
Измерение значений указанных выше групп параметров может выполняться в произвольной последовательности. Например, можно сначала выполнить испытания с целью определения параметров процесса разрушения в эксплуатационных условиях и затем определить параметры разрушения в лабораторных условиях. Возможен и обратный порядок проведения испытаний, поскольку значения параметров процесса разрушения зависят только от свойств материала световода и окружающей среды. После определения значений указанных выше параметров с помощью приведенной расчетной формулы производится оценка времени безотказной работы световода. Для определения значений параметров процесса разрушения формируют несколько статистически однородных ансамблей образцов световода, так что в каждом из ансамблей образцы характеризуются одним и тем же законом распределения дефектов (имеют одинаковые значения t, m и SM). Операция по формированию ансамблей для испытаний может быть выполнена как до проведения контрольной перемотки, так и после нее. Другими словами, в эти ансамбли могут быть помещены либо образцы, которые не подвергались контрольному нагружению, либо образцы после контрольного нагружения. Важно только, чтобы образцы в каждом из ансамблей характеризовались одним и тем же законом распределения дефектов (имели одинаковые значения t, m и SM). Контрольное нагружение, вообще говоря, изменяет характеристики распределения дефектов, поэтому не следует формировать ансамбли вперемешку из образцов, прошедших контрольное нагружение и не прошедших его. Это может привести к неверному определению параметров процесса разрушения. При реализации предлагаемого способа прогнозирования более эффективно используется длина образцов, и необходимое для испытаний количество волокна (и его стоимость) уменьшается в несколько раз по сравнению со способом-прототипом. Кроме того, уменьшаются амортизационные расходы. Универсальная разрывная машина с климатической камерой для проведения разрывных испытаний образцов световода стоит ~20000 $, испытательная установка для нагружения образцов одновременно напряжениями динамического кручения и статического осевого растяжения стоит в семь раз дешевле, обеспечивая возможность проведения испытаний в условиях 100% влажности и такую же точность получаемых результатов. При механических испытаниях световодов кручение не применяется [4], по-видимому, по двум причинам:
- из опасения, что разрушение образцов при кручении вызывается напряжениями сдвига,
- при кручении упругой нити (световода) может произойти потеря ею механической устойчивости: при этом ось нити образует сложную пространственную кривую, а действующее напряжение оказывается совокупностью напряжений растяжения, изгиба и сдвига, так что интерпретация результатов испытаний чрезвычайно затруднена. Фрактографическими методами установлено, что при кручении световодов магистральная трещина совпадает с траекторией максимальных нормальных напряжений. Это означает, что действующим фактором здесь, как и при одноосном растяжении, является фактор интенсивности напряжений [1]:
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-18t.gif)
где а - глубина трещины-зародыша разрушения,
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
Испытания показывают, что для световодов:
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194029/8776.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
Из теории упругости известно [6], что касательные напряжения при кручении кругового цилиндра составляют:
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194130/964.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194130/964.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
где
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-19t.gif)
- модуль упругости при сдвиге,
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194270/957.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194270/957.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-20t.gif)
Угол направления нормали к соответствующей главной площадке с осью световода изменяется от
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194005/960.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-21t.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-22t.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
10-3
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194011/8804.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194011/8804.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
то, согласно (8), (9), это исключит возможность потери устойчивости при кручении образцов световода. С другой стороны, при выполнении условия (13) значение максимального нормального напряжения (12) с точностью до единиц процентов (в указанном выше диапазоне значений нормальных напряжений) определяется выражением:
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194029/8776.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
так что скорость нагружения при закручивании образца составляет:
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-23t.gif)
Таким образом, скорость нагружения
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-24t.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-25t.gif)
Условия (13) являются необходимыми, поскольку их выполнение исключает потерю устойчивости световодом и, согласно (15), гарантирует постоянство скорости нагружения при использовании динамического кручения, то есть позволяет использовать для оценки времени безотказной работы световода расчетную формулу, предложенную в способе-прототипе. Для проверки приведенных выше выводов и соотношений (13)-(15) были измерены распределения прочности волоконных световодов на универсальной разрывной машине Instron-1122 и на устройстве для испытаний образцов методом одновременного воздействия на них напряжениями динамического кручения и статического осевого растяжения (фиг.1). Устройство содержит вертикальное основание 1, на котором закреплены все остальные узлы. В верхней части основания расположен узел 2 с неподвижно закрепленным верхним зажимом для фиксации конца образца тестируемого волокна. Прецизионное управляемое вращение узла 2 относительно вертикальной оси осуществляется с помощью привода 4, состоящего из шагового электродвигателя (ШД) и редуктора. В нижней части основания расположен узел 3 с неподвижно закрепленным нижним зажимом. Узел может свободно перемещаться в вертикальном направлении вдоль направляющих 6, которые в то же время препятствуют вращению узла относительно вертикальной оси. Благодаря этому осуществляется динамическое закручивание образца волокна 9 с помощью привода узла верхнего зажима. В процессе выполнения испытаний узел нижнего зажима свободно висит на тестируемом волокне 9, осуществляя статическое растяжение образца. Для изменения значения статического растяжения существует возможность навешивания на узел 3 дополнительных грузов. При разрушении образца волокна узел 3 падает вдоль направляющих 6 и изменяет состояние индикатора 5 разрушения образца волокна. Электрическая часть индикатора 5, как и привод 4, расположены в верхней части основания 1. Индикатор разрушения образца имеет два состояния: "образец цел", "образец разрушен". Два рандомизированных ансамбля образцов были нарезаны из одномодового волокна, имеющего двухслойное полимерное покрытие, и испытаны на универсальной разрывной машине и устройстве для испытаний методом одновременного динамического кручения и статического осевого растяжения. Диаметр стеклянной части волокна составлял 0,125 мм, наружный диаметр волокна в покрытии был равен 0.255 мм. В качестве первичного покрытия использован полимер DeSolite 950-106, толщина покрытия составляла 0.04 мм. Материал вторичного покрытия - полимер DeSolite 950-108, толщина покрытия 0.025 мм. Для такого волокна условия (13) принимают вид:
7,2 Кгс/мм2
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194011/8804.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194011/8804.gif)
При испытаниях использовался набор дополнительных грузов, которые навешивались на узел 3. Набор дополнительных грузов позволил перекрыть весь диапазон значений статического растяжения (16). Результаты испытаний при всех дополнительных грузах сведены вместе и представлены на фиг.2 (экспериментальные точки, отмеченные знаком "о"). Здесь же для сравнения приведены результаты испытания второго ансамбля образцов на разрывной машине (экспериментальные точки, отмеченные знаком "х"). На графиках по оси абсцисс отложены значения разрывных усилий, эквивалентные измеренным значениям разрывных нормальных напряжений, а по оси ординат - вероятности разрушения образцов. Эквивалентные разрывные усилия Fequ рассчитывались по формуле Fequ =
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194005/960.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-26t.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-27t.gif)
где
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194117/969.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-28t.gif)
Выражение (17), связывающее медианное значение прочности ансамбля образцов с угловой скоростью их кручения при испытаниях, справедливо, если значение статического осевого растяжения
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194117/969.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-29t.gif)
При выполнении условия (13) параметр роста дефектов B связан с медианным значением прочности
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-30t.gif)
При испытании образцов в нормальных условиях это соотношение определяет значение
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-31t.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-32t.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-33t.gif)
где
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194117/969.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194117/969.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194966/2194966-34t.gif)
Предлагаемый способ прогнозирования времени безотказной работы был использован при оценке времени функционирования световодного чувствительного элемента датчика тока (Rof=62.5 10-3 мм) на основе световода с низким значением двулучепреломления. При выполнении прогноза предполагалось, что датчик представляет собой катушку, на которой намотан отрезок световода. Радиус катушки равен 0.05 м, датчик эксплуатируется в условиях 100% влажности, длина световода на катушке L=100 м и вероятность отказа датчика Pf=10-7. Считается, что эксплуатационные напряжения в световоде вызваны его изгибом при наматывании на катушку и осевым кручением. Кручение необходимо для компенсации двулучепреломления, обусловленного изгибом световода на катушке. Для получения информации о наличии в волокне относительно крупных механических дефектов были выполнены контрольные перемотки отрезка световода длиной ~ 2000 м под нагрузкой в лабораторных условиях. Нагружение осуществлялось с помощью блоков роликов (пункт 6.6.1 стандарта [4]). Для выполнения испытаний с целью определения значений параметров усталости np и ns методом одновременного динамического кручения и статического осевого растяжения образцов был использован отрезок световода длиной 120 м, который не подвергался воздействию контрольного растяжения. Стоимость отрезка составила 120 $ при погонной стоимости световода 1 $/м. Для сравнения отметим, что при разрывных испытаниях полная длина каждого образца с нагружаемой длиной ~ 0.15 м составляет ~1 м. Поэтому стоимость отрезка световода, необходимого для выполнения аналогичного комплекса испытаний с помощью разрывной машины, составила бы 600 $. Из этого отрезка были нарезаны образцы длиной 0.20 м каждый, и сформированы шесть рандомизированных ансамблей: три ансамбля образцов для испытаний в лабораторных условиях и три ансамбля - для испытаний в условиях 100% влажности. Испытания проведены с помощью устройства, принципиальная схема которого приведена на фиг.1. Для закрепления концов образцов использованы специально разработанные зажимы. Надежная передача динамического крутящего момента и статического осевого растяжения осуществляется через закрепленные в зажимах концы волокна длиной 15-25 мм. Нагружаемая длина образцов составляла 0.15 м. При испытаниях значение статического осевого растяжения составляло
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194029/8776.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194011/8804.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194011/8804.gif)
Испытания проводились при трех скоростях закручивания образцов;
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194117/969.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194117/969.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194117/969.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194125/981.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194008/8226.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194251/920.gif)
![способ прогнозирования времени безотказной работы световодов, патент № 2194966](/images/patents/276/2194041/963.gif)
1. Ritter Jr. , J.M. Sullivan, К. Jakus, "Application of fracture-mechanics theory to fatigue failure of optical glass fibres", J. Appl. Phys., v. 49, 9, p.p. 4779-4782, 1978. 2. А.Г. Эванс, Т,Г. Лэнгдон, "Конструкционная керамика", Москва, Металлургия, 1980 г., стр. 225-227. 3. Mitsunaga, Y. Katsuyama, H. Kobayashi, Y. Ishida, "Strength assurance of optical fiber based on screening test", Institute of electronics and communication engineers of Japan. Transactions, v. J66-B, 7, p.p. 829-836 (July 1983). 4. International Electrotechnical Commission. Draft International Standard 86A/302/DIS, Project number 86A/793-1-3/Ed.1. 5. A. C. Вольмир, "Устойчивость деформируемых систем", Москва, Наука, 1967 г. 6. С.П. Тимошенко, Дж. Гудьер, Теория упругости, М., Наука, 1975.
Класс G01N3/00 Исследование прочностных свойств твердых материалов путем приложения к ним механических усилий
Класс G01N3/26 исследование прочностных свойств при скручивании или навивке