泡生法晶體爐提拉系統(tǒng)靜動態(tài)特性分析

李鑫，仵晨，楊軍良，耿祥晨，張金誠，鄭旭鴻

（西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048）

0 引言

隨著全球光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對可以用于藍(lán)白光LED的基板材料的藍(lán)寶石提出了更大尺寸、更高質(zhì)量、更低成本的新要求，因此提高藍(lán)寶石晶體生長設(shè)備的質(zhì)量成為了行業(yè)當(dāng)前面臨的迫切需求[1]。目前市場上70%的大尺寸藍(lán)寶石是由泡生法工藝制備的，而泡生法生產(chǎn)藍(lán)寶石在引晶階段籽晶桿的振動對晶體缺陷的產(chǎn)生有著非常大的影響，因此對晶體爐提拉系統(tǒng)的靜動態(tài)特性研究對于提升晶體爐的性能至關(guān)重要[2]。

現(xiàn)有的對于泡生法晶體爐的研究大多集中于通過改進(jìn)其熱場結(jié)構(gòu)達(dá)到合理的溫度梯度來提升晶體爐的性能，對于泡生法晶體爐的靜動態(tài)特性的研究較少。郭余慶等[3]通過數(shù)值模擬的方法比較了鎢鉬、石墨和氧化鋯3種材料的保溫屏的保溫性能，得出了氧化鋯保溫屏保溫性能最優(yōu)的結(jié)論。汪傳勇等[4]利用專業(yè)晶體生長數(shù)值分析軟件模擬了藍(lán)寶石晶體生長過程，改進(jìn)了晶體爐的加熱器和上下隔熱屏。楊潤等[5]通過有限元分析的方法計算出直拉式單晶爐在3種典型工況下的機(jī)架結(jié)構(gòu)變形情況和應(yīng)力分布，驗證了單晶爐機(jī)架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)性能。

本文采用有限元分析的方法，針對LJ-200型晶體爐的提拉系統(tǒng)的靜動態(tài)特性進(jìn)行了分析，以期找到提拉系統(tǒng)在運行中產(chǎn)生振動的原因和薄弱環(huán)節(jié)，為實際生產(chǎn)和后續(xù)的優(yōu)化提供參考。

1 泡生法晶體爐提拉系統(tǒng)有限元模型的建立

LJ-200型號泡生法晶體爐的提拉系統(tǒng)由大立柱、小立柱、滾珠絲杠、導(dǎo)軌、滑座、套筒、稱重傳感器、提拉電動機(jī)、旋轉(zhuǎn)電動機(jī)、波紋管和籽晶桿等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 提拉系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

建立三維模型時，首先對其進(jìn)行模型簡化：1）忽略模型各處倒角和螺栓；2）忽略其水套、行星輪、手輪和電動機(jī)等對分析結(jié)果影響較小的部件；3）將模型中各處焊接結(jié)構(gòu)簡化為剛性連接。建立三維模型，如圖2所示。

圖2 提拉系統(tǒng)三維模型

進(jìn)行有限元分析時，網(wǎng)格質(zhì)量的高低能夠在很大程度上決定分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，但網(wǎng)格劃分得過于精細(xì)會使得計算效率降低，因此在準(zhǔn)確性和網(wǎng)格數(shù)量之間需要找到一定的平衡[6]。為了減少整體網(wǎng)格數(shù)量，提升計算速度，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，對關(guān)鍵受力部位網(wǎng)格精細(xì)劃分，對結(jié)果影響較小的部位的網(wǎng)格劃分可以適當(dāng)粗糙一些[7]。最終建立的有限元模型如圖3所示。

圖3 提拉系統(tǒng)有限元模型

2 泡生法晶體爐進(jìn)給系統(tǒng)靜態(tài)特性分析

靜態(tài)分析一般適用于計算固定載荷下系統(tǒng)或部件的位移、應(yīng)力和應(yīng)變情況，可以為后續(xù)提拉系統(tǒng)中部件的優(yōu)化提供一定的參考，因此有必要對其進(jìn)行靜力分析[8]。

2.1 靜態(tài)分析參數(shù)設(shè)置

1）接觸設(shè)置。將模型各處之間的螺栓連接設(shè)置為綁定接觸來模擬螺栓結(jié)合面的接觸情況；將滑塊與導(dǎo)軌、滑座與滾珠絲杠之間的接觸設(shè)置為摩擦接觸，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.2。

2）邊界條件。由于晶體爐的底座固定在地面上，而大立柱固定在底座上，因此設(shè)置大立柱的底面3個方向的自由度均為0。小立柱與大立柱連接處僅能發(fā)生旋轉(zhuǎn)而不能分離，因此給小立柱轉(zhuǎn)軸的底面也設(shè)置固定約束，如圖4所示。

圖4 提拉系統(tǒng)載荷施加情況

2.2 靜態(tài)分析結(jié)果

靜態(tài)分析結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 變形云圖

圖6 應(yīng)力云圖

根據(jù)圖5分析結(jié)果可知，提拉系統(tǒng)的最大變形量為3.8702 mm，最大形變發(fā)生在籽晶桿部位，提拉系統(tǒng)最大屈服應(yīng)力為161.57 MPa，符合實際情況。

綜上所述，提拉系統(tǒng)中籽晶桿的變形較大，可能影響后續(xù)的晶體生長，造成晶體缺陷。通過靜力分析，可以了解到籽晶桿是提拉系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，后續(xù)應(yīng)該考慮對其進(jìn)行優(yōu)化。

3 泡生法晶體爐提拉系統(tǒng)動態(tài)特性分析

晶體爐在運行過程中，提拉系統(tǒng)不可避免地會產(chǎn)生振動[9]。同時電源柜、真空泵、冷卻水系統(tǒng)產(chǎn)生的振動還可能會使提拉系統(tǒng)產(chǎn)生共振，從而大大影響引晶精度，使晶體產(chǎn)生粘鍋等缺陷。通過動態(tài)分析可以計算出提拉系統(tǒng)的固有頻率和振型，從而有效避免共振[10]。因此，對提拉系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)特性分析對于提高系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定性非常重要。

3.1 提拉系統(tǒng)模態(tài)分析有限元模型

由于實際生產(chǎn)中的振動主要發(fā)生在引晶階段，因此本文只針對引晶階段的提拉系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析。采用與靜力分析相同的有限元模型和邊界條件。

3.2 模態(tài)分析結(jié)果

前6階模態(tài)分析結(jié)果如圖7所示。提取整理振型結(jié)果如表1所示。

表1 模態(tài)分析結(jié)果

圖7 前6階固有頻率和振型

由于外界振源一般情況下都小于50 Hz，因此主要分析前4階模態(tài)結(jié)果。第1階和第2階模態(tài)固有頻率在10 Hz左右，頻率較低，容易受外界振動干擾，產(chǎn)生共振。通過模態(tài)分析結(jié)果可知，提拉系統(tǒng)中最薄弱環(huán)節(jié)為籽晶桿部位，后期應(yīng)著重優(yōu)化其與稱重傳感器和滑座之間的連接方式。

4 結(jié)論

1）通過靜態(tài)分析，得到提拉系統(tǒng)最大形變?yōu)?.8702 mm，發(fā)生在籽晶桿部位，最大屈服應(yīng)力為161.57 MPa，說明籽晶桿部位是提拉系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。

2）通過對提拉系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，得到了提拉系統(tǒng)的固有頻率和低階模態(tài)參數(shù)。結(jié)果說明低階模態(tài)對籽晶桿影響很大，應(yīng)著重優(yōu)化籽晶桿和籽晶桿與其它部位的連接方式，也為避免產(chǎn)生共振提供了理論依據(jù)。