Die Messung der Reibung beim Einziehen von Kabeln mit dem Kabeltrommel-Prüfverfahren

In diesem Beitrag wird das bewährte Kabeltrommel-Prüfverfahren von Polywater beschrieben, bei dem ein Rad mit einem Durchmesser von 1 Meter zur Berechnung des Reibungskoeffizienten in verschiedenen Szenarien verwendet wird. Wie ist dieses große, blaue Rad uns als Schmiermittelhersteller behilflich? Das Kabeltrommel-Prüfverfahren hat sich als eine vielseitige Methode zur Prüfung der Auswirkungen des Platzbedarfs der Kabel im Kabelkanal auf die Kabelzugspannung erwiesen und ist auch bei der Analyse der Installation von Glasfaserkabeln in verschiedenen Szenarien besonders nützlich.

Zusätzlich ermöglicht uns das Prüfverfahren auch die Beurteilung eines breiten Spektrums von Kabelmantel- und Rohrarten. Es hat bei der Aufnahme von Telekommunikationskabeln und -kabelmänteln in unsere Datenbank, einer branchenweiten Ressource für die Messung des Reibungskoeffizienten bei der Planung von Kabelinstallationen aller Größenordnungen, eine wesentliche Rolle gespielt. Und natürlich gehört das Prüfverfahren zu unserer Verfahrensweise, dass die von uns entwickelten Schmiermittel vor der Markteinführung umfassenden Prüfungen unterzogen werden. Polywater verwendet das Kabeltrommel-Prüfverfahren bereits seit über 35 Jahren, d. h. es hat bei der Prüfung der meisten unserer Schmiermittel eine Rolle gespielt.

Die mit diesem Verfahren durchgeführten Prüfungen ergänzen die Arbeit, die mit dem Reibungstisch von Polywater durchgeführt wird. Auf dem Reibungstisch wird ein flach aufgelegter Abschnitt eines Innenrohrs mit einer gemessenen Normalkraft geprüft. Beim Kabeltrommel-Prüfverfahren wird die Spannung gemessen, während das Kabel um Biegungen und Krümmungen gezogen wird. Die Kombination aus beiden Prüfverfahren leistet einen wichtigen Beitrag zu dem umfassenden Wissen, das Polywater über Schmiermittel gesammelt hat.

Das Kabeltrommel-Prüfverfahren funktioniert besonders gut mit leichten Kabeln und durchgehenden Rohren. Es ist das optimale Prüfverfahren für Glasfaserkabel. Da die Prüfung mit aufgewickelten Kabeln durchgeführt wird, erhöht sich die Spannung und es werden gültige Daten in einer relativ kompakten Prüfanordnung gewonnen. Diese Prüfanordnung wird von Telcordia, der IEC und den meisten Kabelherstellern empfohlen.

So funktioniert das Kabeltrommel-Prüfverfahren

Beim diesem Verfahren wird das Rohr in einem 420°-Winkel um ein Rad mit einem Durchmesser von 1 Meter gewickelt. Ein Gewicht (T_in) von üblicherweise 11,3 kg ist an einer Riemenscheibe aufgehängt, die sich in einem Winkel von 60° und 4,6 m über der Zugebene befindet. Das Kabel wird dann von einer Seilwinde mit einer konstanten Geschwindigkeit von 20 m pro Minute gezogen. Eine am Seil befestigte Kraftmessdose misst zweimal pro Sekunde die Zugspannung (T_out).

Die gemessenen Daten werden direkt in ein Arbeitsblatt eingegeben, in dem die durchschnittliche Zugspannung und der Reibungskoeffizient berechnet werden. Bitte beachten Sie, dass das Kabel gezogen wird (d. h. in Bewegung ist), wenn diese Messungen durchgeführt werden, und somit ein „dynamischer“ Reibungskoeffizient ermittelt wird. Für die Berechnung dieses dynamischen Reibungskoeffizienten wird folgende Formel verwendet:

Wobei:

µ der „kinetische“ Reibungskoeffizient ist (dimensionslos)
T_in  die Anfangsspannung (eingehende Spannung) (Kraft) ist
T_out  die gemessene Zugspannung (Kraft) ist
Θ  der gesamte Winkel des Rohrs um die Krümmung oder 7,33 Bogenmaß ist

In der Praxis erzielte Werte für den Reibungskoeffizienten können höher ausfallen. In der Praxis wirken sich viele verschiedene Faktoren auf die Zugspannung aus, zum Beispiel das Applikationsverfahren für das Schmiermittel, die Temperatur, die Steifigkeit des Kabels, der prozentuale Platzbedarf der Kabel im Kabelkanal und eventuell vorhandene Verunreinigungen.

Allgemeine Ergebnisse

Analyse und Präsentation aller Daten sowie die mit diesem Prüfverfahren gewonnenen Schlussfolgerungen werden in diesem Beitrag nicht behandelt. Unsere allgemeinen Erkenntnisse sind jedoch im Folgenden kurz dargestellt.

Anfangsspannung

Diese Prüfanordnung lässt keine direkte Abweichung von der Normalkraft (Seitenwanddruck) zu. Stattdessen kann die Anfangsspannung (T_in) durch die Verwendung verschiedener Abwicklungsspannungs-Gewichte verändert werden. Das führt wiederum zu einer variablen Zugspannung (T_out). Der Seitenwanddruck ist das Verhältnis von Zugspannung zu Radius anhand der folgenden Gleichung (ein Kabel):

Seitenwanddruck  ist

Wobei:

T_out  die gemessene Zugspannung (Kraft) ist
R der Radius der Krümmung ist

Bei einer niedrigeren oder höheren Spannung am Anfang des Rohrabschnitts (Anfangsspannung) erhöht oder verringert sich auch der Seitenwanddruck.

In Diagramm 1 sind die Ergebnisse einer Testgruppe dargestellt. Bei dieser Prüfung wurde Polywater® FTTx Kabelschmiermittel zum Schmieren eines Glasfaserkabels mit einem Kabelmantel aus feuerhemmendem Polyethylen und eines Glasfaserkabels mit MDPE-Kabelmantel durch ein durchgehendes glattwandiges HDPE-Innenrohr verwendet. Die Spannungen wurden mit variabler Anfangsspannung gemessen. Der Reibungskoeffizient wurde anhand der gemessenen Zugspannung berechnet.

Bei dieser Prüfung fällt der Reibungskoeffizient bei einem höheren Seitenwanddruck etwas niedriger aus. Dieses Ergebnis tritt häufig auf und basiert auf einer großen Anzahl durchgeführter Reibungsprüfungen.  Im nachfolgenden Diagramm sind die Daten und die Seitenwandberechnung aus dem Datenbestand von Diagramm 1 detaillierter dargestellt.

Wie bereits festgestellt, fällt der Reibungskoeffizient bei höheren Seitenwanddrücken niedriger aus. Bei manchen Prüfungen sind die Auswirkungen nicht so groß. Diese Prüfung wird oft mit einer variablen Anfangsspannung durchgeführt, doch bei geringeren Anfangsspannungen ergibt sich bei den Ergebnissen für den Reibungskoeffizienten eine höhere Standardabweichung. Normalerweise werden die Ergebnisse auf der Basis einer Anfangsspannung von 11,3 kg_f angegeben.

Auswirkungen des Kabelmantels

Im nachfolgenden Diagramm 2 sind die durchschnittlichen Reibungskoeffizienten für verschiedene Kabel dargestellt, die durch ein glattwandiges Polyethylenrohr gezogen wurden. Es wurden sowohl geschmierte als auch ungeschmierte Kabel verwendet. Diese Daten zeigen, dass der Reibungskoeffizient von den Oberflächenmaterialien abhängt. Hochleistungs-Schmiermittel sind bei einem breiten Spektrum von Materialien effektiv. Bei diesen Daten liegen die Reibungskoeffizienten bei geschmierten Rohren in einem engen Bereich von 0,09 bis 0,11, während der Bereich bei ungeschmierten Rohren wesentlich größer ist – 0,22 bis 0,35. Der niedrigere Reibungskoeffizient bei geschmierten Rohren ermöglicht das Einziehen bei geringerer Spannung, d. h. es sind längere Rohrabschnitte mit weniger Spleißen möglich.  

Auswirkungen des Rohrs

In Diagramm 3 wird der Reibungskoeffizient in glattwandigen und gewellten HDPE-Rohren gemessen. Bei dieser Prüfung haben die unterschiedlichen Ausführungen der Rohre eine minimale Auswirkung auf den Reibungskoeffizienten. Das Schmiermittel ist der wichtigste Faktor bei der Reduzierung des Reibungskoeffizienten. Polywater CGL ist ein dickeres gelförmiges Schmiermittel und bei dieser Prüfung in gewellten Rohren nicht so effektiv. Polywater FTTx ist ein Hochleistungs-Schmiermittel mit einem dünnen Film und erzielt eine hervorragende Verringerung der Reibung in glattwandigen und gewellten Rohren.

Auswirkungen des Schmiermittels

Im nachfolgenden Diagramm 4 werden die durchschnittlichen Reibungskoeffizienten für MDPE-Kabelmäntel in glattwandigen Polyethylenrohren mit verschiedenen Kabelschmiermitteln gezeigt. Alle Schmiermittel verringern die Reibung und zeigen im Vergleich zu Prüfungen ohne Schmiermittel große Unterschiede beim Reibungskoeffizienten auf. Alle diese Schmiermittel verringern die Reibung sehr gut. Die Leistungsfähigkeit des Schmiermittels hängt zwar von den Materialkombinationen ab, doch im Allgemeinen sind Hochleistungs-Schmiermittel bei einem breiten Spektrum von Kabelmänteln effektiv. Die Auswahl des Schmiermittels hängt unter anderem auch von der Ausführung des Kabelkanals und den Anforderungen der Anwendung ab. Die geprüften Schmiermittel decken eine Reihe verschiedener Ausführungen ab: gießfähiges, zähflüssiges Gel, dickflüssiges Gel und sprühfähige, einen dünnen Film bildende Flüssigkeit.

Vorgeschmierte Rohre

Die Schmiermittel von Polywater sind für vorgeschmierte Rohre geeignet. In Diagramm 5 werden Standardrohre und vorgeschmierte Rohre verglichen. Vorgeschmierte Rohre weisen zwar niedrigere Reibungskoeffizienten auf, doch Polywater-Schmiermittel wie Prelube 2000™ sorgen ebenfalls für eine sehr effektive Verringerung der Reibung. In diesem Fall macht Prelube 2000 den Unterschied wett. Mit Prelube 2000 weisen das Standardrohr und das vorgeschmierte Rohr den gleichen Reibungskoeffizienten auf.

Zusammenfassung

Unsere bewährte Kabeltrommel-Prüfung funktioniert gut mit leichten Kabeln und hat sich als ein vielseitiges Verfahren für die Messung der Auswirkungen des Platzbedarfs der Kabel im Kabelkanal auf die Kabelzugspannung erwiesen. Sie ist besonders nützlich für die Analyse von Szenarien für die Installation von Glasfaserkabeln und unterstützt dazu die Entwicklung der Polywater-Produktfamilie von Schmiermitteln für Telekommunikationskabel. Die Reibungsdaten aus diesen Prüfungen können für die Planung und Optimierung der Kabelverlegung in Rohren verwendet werden.

Quellenverzeichnis

Internationale Elektrotechnische Kommission, „IEC/TR62470 Technical Report, Guidance on Techniques for the Measurement of the Coefficient of Friction (COF) between Cables and Ducts“ (Technischer Bericht, Leitfaden für die Verfahren zur Messung des Reibungskoeffizienten zwischen Kabeln und Rohren) Edition 1.0, Genf, Schweiz, Oktober 2011.

Telcordia „Generic Requirements for Optical Cable Innerduct, Associated Conduit, and Accessories“ (Allgemeine Anforderungen an Innenrohre für Glasfaserkabel, zugehörige Kanäle und Zubehör), Issue 2, Piscataway, NJ, Juni 2009.

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