Brevet FR2509903A1 — publié le 19830121

La présente invention concerne des câbles ayant un élément hélicoïdal, comprenant des câbles coaxiaux, des câbles multipaires et des câbles de guides de lumière pour l'utilisation en télécommunications. On utilise des câbles comportant un ou plusieurs éléments hélicoïdaux dans diverses applications, parmi les- quelles les câbles de télécommunications tels que les cibles coaxiaux, les câbles multipaires ou les câbles de guides de lumière Un élément enroulé en hélice peut faire fonction d'armure d'un tel câble, lorsqu'il se trouve près de la partie extérieure du c Cble D'autres éléments enroulés en hélice comprennent des bandes, des rubans de matière plas- tique, des éléments de liaison, etc On peut également uti- liser un enroulement héicoidal d'une matière conductrice pour la transmission d'énergie électrique ou d'information sous forme électrique. Si on ne prend pas de mesures pour l'empêcher, un élément hélicoïdal introduit de façon caractéristique dans un câble une réaction sous forme de couple Ainsi, lorsqu'on applique une force axiale au cible, ce qui le fait allonger, le câble a tendance à se vriller Selon la structure du c C- ble, ce vrillage peut se produire soit dans le sens qui entra:ne un serrage de l'enroulement en hélice, soit dans le sens qui tend à le dérouler Une telle réaction sous for- me de couple peut dans certains cas produire des coques dans un câble, lorsqu'on déroule le câble à partir d'un touret ou qu'on le manipule de toute autre manière, comme par exemple pendant l'installation du câble Une réaction sous forme de couple peut également entraîner d'autres difficultés de ma- nipulation Le serrage ou le déroulement de l'élément héli- cordal peuvent également avoir un effet défavorable sur les performances du câble. Il est possible de s'opposer à la réaction sous forme de couple d'une ou de plusieurs couches hélicoïdales en établissant une réaction sous forme de couple de sens opposé dans une autre couche hélicoïdale On peut par exem- ple s'opposer à l'action d'une couche hélicoïdale enroulée dans un sens, par une couche hélicoïdale qui la recouvre et qui est enroulée dans le sens opposé On a créé des techni- ques pour analyser la réaction sous forme de couple de câbles enroulés en hélice, qui permettent de prévoir l'angle d'en- roulement d'un élément hélicoidal de compensation On pourra voir par exemple à ce titre le document: "Mechanical Charac- terization of Cables Containing Helically Wrapped Reinforcing Elements", par T C O Cannon et M R Santana, Proceedings of the 24th International Wire and Cable Symposium ( 1975), Cherry Hill, New Jersey. Conformément à l'invention, un câble comprend un élément hélicoïdal qui entoure une gme cylindrique, et l'an- gle d'enroulement G de cet élément hélicoïdal est choisi de façon que l'élément hélicoïdal produise une réaction sous forme de couple de valeur pratiquement nulle lorsque le càble est soumis à un effort axial. Dans un mode de réalisation préféré conforme à l'invention, on choisit cet angle e conformément à la formu- le: e = cotg EN -1/2 2 Ac/Rc dans laquelle: N =,cc en désignant par R le rayon de _âme, par 1 c la longueur d'un segment de l'âme, par A c la variation de la longueur de ce segment qui est produite par un effort axial sur l'âme, et par AR la variation cor- respondante du rayon de l'âme. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 représente un montage expérimental qui convient pour déterminer les paramètres utilisés pour le cal- cul de l'angle d'enroulement en hélice. La figure 2 représente un c Cble à fibres optiques comportant une couche d'armure hélicoïdale conforme à l'in- vention. La description détaillée qui suit porte sur un c C- ble à enroulement hélicoïdal, dans lequel un seul enroulement hélicoidal produit une réaction sous forme de couple de va- leur nulle Dans la structure de câble de l'invention, un seul enroulement hélicoiïdal exerce un couple égal à zéro sur l'âme du câble sur laquelle il est enroulé Ainsi, si l'âme du câble a une réaction sous forme de couple qui est pratiquement nulle avant que l'élément hélicoïdal soit enroulé sur elle, le c Cble résultant,avec l'élément hélicoïdal, présente également une réaction sous forme de couple prati- quement nulle, en présence d'une déformation axiale appli- quée. Comme il est indiqué dans le document de Cannon et Santana précité, la déformation dans un élément hélicoïdal ( Es) est liée à la déformation axiale dans le câble par l'équation ( 1): Es = (cos 2 O-N sin 20)-0 ( lr Rs sin 29) ( 1) dans laquelle E cest la déformation axiale dans le câble, e est l'angle d'enroulement de l'élément hélicoïdal (angle formé par l'axe longitudinal de l'âme du c 4 ble et par l'axe de l'élément hélicoïdal), O est la torsion du câble, en tours par unité de longueur, qui résulte de la déformation axiale, Rs est la position radiale de l'élément hélicoïdal, et N est la déformation radiale par unité de déformation axiale à laquelle l'âme du ceble est soumise au niveau de l'élément hélicoiïdal, sous l'effet de la déformation axiale, et elle est donnée par l'équation ( 2): à R /R N = c c ( 2) A Lc/ c dans laquelle R est le rayon de l'âme sur laquelle l'élément hélicoïdal est enroulé, et Lc est la longueur d'un segment de l'âme. On a déterminé qu'il était possible d'obtenir une réaction sous forme de couple de valeur nulle en résolvant l'équation ( 1) de la manière suivante: en imposant une con- dition finale correspondant à une torsion nulle ( O = 0), on obtient l'équation ( 3): s = E(cos 2 e-N sin 2 e) ( 3) Dans la condition de couple nul, Es, c'est-à-dire la défor- mation dans l'élément hélicoïdal, devient égale-à zéro Ceci se produit lorsque-l'angle d'enroulement O est choisi con- formément à l'équation suivante: e = cotg lrî/2 ( 4) Par conséquent, en évaluant les valeurs de Rc/Rc et Ic/Lc, on peut déterminer l'angle d'enroulement qui donne un couple nul. la figure 1 représente un montage de test qui convient pour déterminer ces valeurs L'effort peut être produit par un treuil de traction 11, équipé d'une roue à rochet, reliée à l'âme du cible par un filin d'acier toronné de 6,35 mm, portant la référence 12 Un crochet 13 est fixé au filin par un accouplement pivotant et est fixé par une pince 14 à l'âme du câble sous test, 16 L'tme du cible sous test est fixée à un dispositif de mesure de charge 18 par une pince 17 On peut employer comme dispositif de mesure de charge la cellule de mesure de charge du type Tyco JP-2000 de la firme Data Instruments Inc, et cette cellule est à son tour fixée à un objet fixe 19 En partant d'une condition d'effort nulle, ou donnée, on détermine la variation de la longueur de l'me du câble sous test, sur une longueur d'éprou- vette donnée, sous l'effet d'un effort appliqué On mesure la longueur d'éprouvette pour déterminer la longueur de l'ame du câble telle qu'elle est suspendue, en incluant la flèche éventuelle de l'ame du cible La longueur d'éprouvette fournit la valeur de c' tandis que la variation de longueur est la valeur de AI c On mesure également le diamètre de l'âme du c 6 ble sous test, en employant par exemple un capteur de dé- formation transversal du type G-57-11, de la firme Instron. On détermine tout d'abord le diamètre dans des conditions d'effort identiques à celles dans lesquelles on a mesuré la longueur d'éprouvette, puis on le détermine à nouveau avec un effort appliqué identique à celui avec lequel on a mesuré AL 6 c Ia valeur de R est alors la moitié du diamètre initial, et AR est la moitié de la variation du diamètre en présence de l'effort appliqué mentionné précédemment. Pour améliorer la précision et l'homogénéité de la détermination de N, on mesure de préférence les données ci-dessus sur une série d'incréments d'effort, et on fait la moyenne des valeurs résultantes de N Dans de nombreux cas, un procédé encore plus souhaitable consiste à trouver une formule de régression en accord avec les données qui résultent des incréments d'effort successifs On peut uti- liser un procédé d'identification au sens des moindres car- rés Si on suppose qu'on a une déformation nulle pour une certaine précharge de valeur faible, on peut utiliser la formule ( 5), dans laquelle est la déformation radiale de l'âme, E L est la déformation axiale de l'âme et K est une constante: E r = L + ( 5) Dans cette formule, chaque ensemble de points de données At c/Rc, A Lc 1 c est tracé ou enregistré de toute autre manière sur un graphe dont les axes de coordonnées correspondent à E r et E 1 On choisit ensuite les valeurs de N et K de façon à obtenir une ligne ayant un écart mini- mal (moindres carrés) par rapport aux données Selon une va- riante, on peut utiliser un calcul numérique pour obtenir N et K à partir des points de données, selon des procédés connus. On a appliqué cette technique avec succès à un câble à guides de lumière Dans les cebles à guides de lu- mière, il est important de réduire la tendance du cible à former des coques pendant la manipulation Ceci est facili- té lorsqu'une couche d'armure formée sur le câble présente une réaction sous forme de couple de valeur nulle A titre d'exemple de la technique de l'invention, on mesure un c C- ble à guides de lumière comprenant des fibres optiques, dé- crit par ailleurs dans le brevet US 4 241 979, pour déter- miner l'angle d'enroulement approprié d'une couche d'armure hélicoïdale. EXEMPLE Un câble à guides de lumière, tel que le montre pratiquement la figure 2, est construit conformément à la description qui suit L'âme du cable englobe toutes les parties du cable qui se trouvent à l'intérieur de la couche d'armure hélicoïdale ( 209, 210) Au centre de l'me se trouve un espace pour des guides de lumière, qui peuvent etre assemblés sous la forme de rubans Chaque ruban ( 201) comprend de façon caractéristique 12 fibres optiques, dont un plus petit nombre est représenté, dans un but de clarté. les rubans peuvent 4 tre torsadés, avec une torsade pour 46 cm du c 9 ble représenté On applique sur les rubans une bande (non représentée) de polytétrafluoréthylène (PTFE) non sou- mis à Lu traitement thermique, et-cette bande est destinée à faire fonction de barrière thermique La bande de PTFE mesure environ 21 mm de largeur sur 0,08 mm d'épaisseur, et elle est appliquée longitudinalement, avec un joint à re- couvrement Un tube de polyéthylène 202, extrudé sur la ban- de de PTF Efait fonction de chambre de protection pour la structure de rubans La matière du tube est du polyéthylène à haute densité formé par extrusion continue, ayant un dia- mètre intérieur de 6,35 mm et une épaisseur de 0,71 mm Une bande 203 en polyester sous forme de nappe de monofils con- tinus est appliquée sur le tube de polyéthylène La bande mesure 2,54 cm de largeur sur 0,2 mm d'épaisseur Elle est appliquée longitudinalement avec un joint à recouvrement. La couche suivante consiste en quatorze fils d'acier inoxy- dable 204, ayant chacun un diamètre de 0,43 mm, et consis- tant en acier inoxydable du type 302 les fils sont appliqués de façon à faire un tour complet sur une distance longitudi- nale de 25,4 cm la couche suivante est une gaine de polyé- thylène 205 qui est appliquée sur les fils d'acier La gaine est obtenue par extrusion continue de polyéthylène à haute densité ayant une épaisseur de paroi de 0,69 mm, avec un diamètre extérieur de 9,78 mm On applique ensuite une bande de polyester 206, sous forme de nappe de monofils continus, et cette bande mesure 2,54 cm de largeur sur 0,2 mm d'épais- seur On applique la bande d'une manière longitudinale, ce qui donne un espace d'environ 5,6 mm Quatorze fils d'acier inoxydable 207 forment la couche suivante et sont enroulés en tournant dans la direction opposée aux fils précédents, et en faisant un tour complet en 38,4 cm Les fils ccnsis- tent en acier inoxydable du type 302 et ils ont un diamètre de 0,43 mm Une gaine de polyéthylène 208 forme la couche suivante, et les fils d'acier sont incorporés dans l'épais- seur de paroi du polyéthylène L'épaisseur de cette gaine est de 1,02 mm, avec un diamètre extérieur de 12,2 mm La réaction sous forme de couple de cette âme de câble est pra- tiquement égale à zéro. On a testé cette âme de câble avec le montage ex- périmental qui est représenté sur la figure 1, pour détermi- ner la valeur de N On a suspendu entre des galets 15, comme il est représenté, une longueur d'ame de câble suffisante pour donner une longueur d'éprouvette d'environ 297 cm On a mesuré le diamètre du câble, approximativement au milieu, avec un capteur de déformation transversale de la firme Instron On a ensuite appliqué un effort au câble en utili- sant le treuil, pour produire un allongement du câble (AL) de 0,79 mm On a utilisé à nouveau le capteur de déformation transversale pour mesurer le diamètre afin de déterminer la valeur de 4 Rc On a augmenté l'effort axial appliqué par le treuil, pour produire un allongement supplémentaire de 0,79 mm et on a répété les mesures On a accompli cette procédure pour 24 incréments de la valeur de l'effort, produisant un allongement de 1,91 cm Pour chaque incrément, on a déter- miné les valeurs de tir/l et &R 0/R Lorsqu'on a obtenu l'ensemble complet de points de données, on a déterminé les valeurs de N et K par une méthode "d'identification au sens des moindres carrés" pour l'équation ( 5) On a accompli trois séries séparées d'allongements, en partant chaque fois d'un effort approximativement nul On a ainsi déterminé une valeur moyenne de N égale à 0,42 On a alors calculé par l'équation ( 4) la valeur de l'angle d'enroulement e, et on a déterminé qu'elle était approximativement de 570 Pour l'âme de c 9 ble ci-dessus, ceci conduit à 40 tours par mètre pour la couche d'armure hélicoïdale sur l'âme Une couche d'armure appro- priée comprend deux enroulements hélicoïdaux en acier, ap- pliqués avec un angle d'enroulement de 570 Chaque enroule- ment a les caractéristiques suivantes: 16,3 mm de largeur, 0,127 mm d'épaisseur et un recouvrement de 5,59 mm de chaque côté On peut appliquer ces enroulements en deux parties 209, 210, se recouvrant partiellement, de la manière repré- sentée sur la figure 2, pour faire en sorte qu'aucun espace n'apparaisse en cas de flexion du câble On considère ce- pendant que ces parties constituent toujours un seul élément hélicoïdal en ce qui concerne l'invention, du fait qu'elles ont le môme angle d'enroulement, le même "sens" d'enroule- ment (c'est-à-dire que toutes deux ont un pas à droite ou un pas à gauche), et pratiquement la m 6 me distance par rap- port au centre de l'âme Au lieu d'alterner les bords en recouvrement, comme il est représenté sur la figure 2, on peut appliquer l'un des enroulements de façon qu'il couvre l'autre enroulement sur les deux bords On peut employer de façon similaire des enroulements supplémentaires, tout en considérant qu'il s'agit d'un seul élément hélicoidal. Enfin, on peut extruder une gaine de polyéthylène à haute densité 211 sur la couche d'armure hélicoldale Ia réaction sous forme de couple du câble résultant est pratiquement nulle. Pour déterminer la réaction sous forme de couple que manifeste un câble, une approximation simple consiste à mesurer la torsion libre que prend le câble lorsqu'il est chargé On peut suspendre un câble verticalement et le char- ger au moyen d'un poids En ce qui concerne l'invention, on considère qu'un câble a une réaction sous forme de couple qui est pratiquement nulle lorsque la torsion du câble est inférieure à 3 tours pour une longueur suspendue verticale- ment de 100 m, lorsqu'on applique une déformation axiale de 1 % On peut proportionner ce critère de façon correspondante pour d'autres longueurs et d'autrestorsions, comme par exem- ple une torsion inférieure à 0,3 tours pour une longueur de 10 m, lorsqu'on applique une déformation axiale de -1 % Un autre procédé de mesure qui donne une information pratique- ment similaire consiste à mesurer le couple d'un c Able lorsqu'il est placé sous tension dans une condition inter- disant la torsion, et à diviser le couple par la raideur en torsion du câble On peut par exemple utiliser le montage expérimental de la figure 1 avec un dispositif de mesure de couple monté à la place de la cellule de mesure de charge. le transducteur statique TQ 1600 fabriqué par la firme Vibrac Corporation constitue un transducteur de couple approprié. Pour une déformation donnée, on détermine le couple en newton- mètres Ensuite, on détermine la raideur en torsion de la mê- me longueur de câble, par des techniques connues En divisant le couple dû a la déformation par la raideur en torsion, on obtient un facteur de mérite exprimé en tours par mètre et par unité de déformation Avec cette procédure de mesure, on considère qu'un câble ayant un facteur de mérite inférieur à trois tours par mètre et par unité de déformation présente une réaction sous forme de couple qui est pratiquement nulle, en ce qui concerne l'invention Dans certains cas, l'utilisa- tion de la technique de l'invention permet d'obtenir une va- leur inférieure à 1 tour par mètre et par unité de déforma- tion, en pratique industrielle. Dans les opérations modernes de fabrication de c- ble, on peut de façon caractéristique obtenir un angle d'en- roulement en hélice compris dans une plage + 1 par rapport à la valeur nominale Dans le câble de l'exemple ci-dessus, ceci correspond à une différence de + 1,7 tour par mètre, par rapport à la valeur nominale de 40 tours par mètre. Ayant ainsi déterminé qu'on peut appliquer une seule couche hélicoïdale pratiquement exempte de couple, on peut voir qu'il est possible d'utiliser d'autres techniques pour trouver l'angle d'enroulement approprié La technique la plus directe consiste simplement à faire varier l'angle d'enroulement, en donnant plus ou moins de tours par mètre à l'élément hélicoïdal placé sur une âme, et à tester la réaction sous forme de couple que manifeste le câble On peut obtenir de cette manière une couche hélicoïdale ayant une réponse sous forme de couple pratiquement nulle Normale- ment, l'âme sur laquelle la couche hélicoïdale exempte de couple est appliquée possède également une réponse sous for- me de couple pratiquement nulle Ainsi, le câble résultant a une réponse sous forme de couple qui est pratiquement nul- le Il est cependant possible d'appliquer une couche héli- coïdale à réaction sous forme de couple de valeur-nulle, conformément à la technique de l'invention, sur des âmes qui n'ont pas une réaction sous forme de couple pratiquement- nulle Si on emp 4 che la torsion du câble résultant, il mani- feste alors une réaction sous forme de couple qui est prati- quement la m 4 me que celle de l'âme avant l'application de l'élément hélicoïdal On peut également déterminer la valeur de N dans l'équation ( 4) par des techniques autres que le procédé de test décrit Par exemple, si l'âme est une matiè- re pratiquement isotrope et incompressible, on peut calculer par la théorie que la valeur de N est de 0,5 Avec une matiè- re d'âme anisotrope, on utilise avantageusement le procédé expérimental ci-dessus pour évaluer N, en particulier lors- que N diffère de plus de 10 %o de la valeur théorique ci-des- sus, c'est-à-dire lorsque N est inférieur à 0,45 ou supérieur à 0,55 On peut également appliquer avantageusement des cou- ches hélicoïdales autres que des couches d'armure On peut par exemple appliquer des couches de bandes ou des couches tressées. Il va de soi que de nombreuses autres modifications peuvent etre apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. 1 1 REVENDICATIONS 1 C O ble comprenant un élément hélicoïdal qui en- toure une âme cylindrique,caractérisé en ce que l'angle d'enroulement e de l'élément hélicoïdal est choisi de façon que cet élément hélicoïdal produise une réaction sous forme de couple de valeur pratiquement nulle, lorsque le cable est soumis à un effort axial. 2 Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'angle O est choisi conformément à la formule: O o = cotg N -1/23 -R/R dans laquelle N = c, en désignant par R le rayon de c l'Vme, par Lc la longueur d'un segment de l'âme, par 4 c la variation de la longueur de ce segment qui est produite par un effort axial sur l'âme, et par AR la variation corres- c pondante du rayon de l'âme. 3 C O ble selon la revendication 2,caractérisé en ce qu'on détermine Sc, A Lcs Rc et A Rc par les opérations suivantes: on suspend un segment de l'âme, on mesure la longueur de ce segment ou d'une partie de celui-ci, on me- sure le diamètre de l'âme, on applique un effort au segment pour obtenir une dformation dans le segment, on mesure la variation résultante de la longueur, et on mesure la varia- tion résultante du diamètre. 4 C Oble selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'âme n'est pas pratiquement incompressible, ce qui fait que la valeur de N diffère de 0,5 avec un écart supé- rieur à 10 % et est inférieure à 0,45 ou supérieure à 0,55. Câble selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on accomplit les mesures plusieurs fois pour plu- sieurs déformations produites par plusieurs incréments d'effort, et on utilise ensuite une identification au sens des moindres carrés appliquée aux valeurs résultantes, pour obtenir la valeur de N par l'équation: r = N úL + K dans laquelle Er est la déformation radiale de l'âme, EL est la déformation axiale de l'âme, et K est une constante. 6 Cable selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'âme cylindrique produit éga- lement une réaction sous forme de couple de valeur pratique- ment nulle lorsqu'&le est soumise à un effort axial, ce qui fait que le câble comprenant l'élément hélicoïdal et l'âme produit une réaction sous forme de couple de valeur prati- quement nulle lorsqu'il est soumis à un effort axial. 7 C Oble selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'me cylindrique comprend un ou plusieurs guides de lumière. 8 C Cble selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément hélicoïdal est un élément d'armure métallique.