單晶爐下轉(zhuǎn)動振動問題的預(yù)防

單晶爐拉晶過程中鍋轉(zhuǎn)系統(tǒng)及外界引起振動問題的探討及預(yù)防

葉晉運用基礎(chǔ)理論探討出鍋轉(zhuǎn)系統(tǒng)引起振動的原因：鍋轉(zhuǎn)軸與珀埸中心軸不共線，不垂直于水平面及材質(zhì)、兀何形狀不對稱造成的質(zhì)量偏心。解決的方法安裝調(diào)試時水平的誤差應(yīng)限定在一格之內(nèi)，地基要堅固質(zhì)量大以防使用過程中出現(xiàn)傾斜，鍋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動部分形位公差一般控制在0.05mm以內(nèi)，邊安裝邊用千分表測同心度，確保偏心量在0.05mm之內(nèi)，對外界0.3Hz1.9Hz的低頻振動要嚴加防范。預(yù)防方法：用重機架，重基礎(chǔ)，軟連接來消弱振動，用防振溝阻斷振源。關(guān)鍵詞：單晶爐、鍋轉(zhuǎn)、垂直、水平面、振動單晶爐拉晶過程中按其振源可分為三類，一是晶轉(zhuǎn)引起的二是鍋轉(zhuǎn)系統(tǒng)引起的,三是外部振動引起的，本文僅探討第二第三類振動的解決方法，目地弄清各種振動的固有頻率所在的大致范圍，從中可知哪些外界振動對拉晶的影響最大、最應(yīng)尋源預(yù)防。1.蝸轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生振動的理論分析1.1用埸轉(zhuǎn)動系統(tǒng)的共振分析1.1.1址煙轉(zhuǎn)動的徑向振動分析珀垠轉(zhuǎn)動系統(tǒng)可以簡化成一個懸肩梁受垂直于梁的力的振動問題由文獻［1］知八PI?Qa= 2EIy式中Qa-—A點的轉(zhuǎn)角(孤度)P一一集中載荷所受內(nèi)力，本文是址垠轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的不平衡力(N)L一一臂長文中指用埸系統(tǒng)的質(zhì)心到支承中心的距離(m)E—一材料的彈性模量本文是不銹鋼轉(zhuǎn)軸，石墨轉(zhuǎn)軸的平均值(Pa)(2)式中LE石分別為鋼軸、石墨軸的長度及彈性模量。Iy一一截面對Y軸的慣性矩(m')Iy=d4/64 (3)d一一轉(zhuǎn)動軸的直徑(m)圖11可以簡化成一個重物彈簧系統(tǒng)，根據(jù)文獻［2］可知其振動周期：T=2，匹 (4)式中T一一珀垠轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的振動周期(S)m一一給垠轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的質(zhì)量(kg)K一一址垠轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)的彈簧剛度(N/m)

上式中簡化成： T二將上面的式(1)、(3)代入(4)中得：T上式中簡化成： T二(5)L鋼—351nun(2)式中的=2.06*1011Pa,E右=1.25*1010Pa,由圖L鋼—351nunTtjL石=837nuno將值代入(2)式得E=7*1010Pa (6)(5)式中140kg(裝料后的坨煙轉(zhuǎn)動質(zhì)量),L=L石+L鋼=1.194Md=0.Im,將值代入(5)式中得：T=0.013(S) (7)(8)1/\(8)f=〒=75(Hz)由上面計算可知埸轉(zhuǎn)的共振頻率比市用交流電還高冷而拉晶過程中的轉(zhuǎn)數(shù)遠遠低于這個頻率，不會出現(xiàn)與垠轉(zhuǎn)共振的現(xiàn)象。1.2用垠內(nèi)熔硅液面晃動的共振分析珀垠內(nèi)熔硅的晃動的固有頻率與址垠的兒何尺寸有關(guān)與液態(tài)硅的粘度有關(guān)，是很復雜的受約束流體的三維動蕩問題。為了揭示出這樣流體的運動規(guī)律，我們把它簡化為理想流體的二維運動。其分析如圖(2)所示液態(tài)硅某一瞬間在垠內(nèi)振蕩形狀如圖中的虛線所示，右邊一塊被壓下排擠出去的體積塊A正好等于左邊那塊被擠上來的體積塊BeA、B大小形狀均一樣且中心對稱于擺動中心的0點，0點尤如單擺中懸線的固定端，如果擺動十分穩(wěn)定乂無粘性、無阻尼那么0點是不動的且與兩端距離相等。其擺長是0點到A(或B)液體質(zhì)心的距離,這樣我們就把熔硅的液面波動問題簡化成單擺運動。其振動周期T=2^-一一(9)式中：L一一擺長(m),g一一重力加速度(m/s2),不過應(yīng)說明這個單擺運動與前文是有區(qū)別的。前者擺長不變，而后者擺長在變化(隨著擺幅的加大而擺長L在增大)不過當擺輻較小時，可近似取其最小擺長一即質(zhì)心與容器軸的垂直距離計算。此時擺長為定值，這時計算出的值總是偏小的，但精度也較高。如圖(2)所示為邊長是a的正方形，那么由文獻［3］可知：L方二:a (10)O如果圖(12)所示為一個半徑為R的圓柱形，那么由文獻［3］可知：4珞=#R ⑴)571為了驗證公式的正確性，我們做了如下二個實驗：錯誤！未找到引用源。在長880mm,寬度300mm，高900mm的水槽中沿880mm方向振動。錯誤！未找到引用源。在4)405mm，高500mm的圓柱形水桶沿任意直徑方向振動。其實測與計算的振動周期分別為：T灑測=1.15(S) T880?=1.086(S) (12)Tg)5測=°7(S) 丁網(wǎng)5理=059(S) (13)通過對上述兩組數(shù)據(jù)的比較可知(12)式中的誤差比(13)式中小，其原因是在一個長的水槽中觀測水面波幅為50mm時液體的升角要遠小于在圓桶中的升角，因而前者更接近于小擺幅，而后者就不屬于小擺幅。因而造成前者精度高，而后者低。在實驗中我們發(fā)現(xiàn)同對100次振動計時大波幅的時間略長于小擺幅的，這說明前文的理論分析是正確的。在實驗中我們發(fā)現(xiàn)在液位的高度不影響液面波形的前提下液面的高度及比重不影響波動周期這說明容器內(nèi)的液體動蕩振動在物理屬性上更接近于單擺振動。不過還應(yīng)說明一點，我們的理論計算是建立在無阻尼的理想流體囹，而實際上是有粘性的真實流體，因而波動的幅值一直在衰減變小。其擺長也在變小，因而其振動周期T也不會是一個常數(shù)，不過在我們的工程范圍內(nèi)看成常數(shù)是不影響問題的本質(zhì)。我公司使用的20寸石英珀垠內(nèi)徑為500mm從(9)與(11)式可求出：T=0.53(S) (14)其共振頻率為：=^33=187(Hz) (15)比較(8)與(15)式中，可知用煙轉(zhuǎn)動的共振與珀垠內(nèi)液體動蕩的固有頻率相差甚遠，二者之間是不能同時發(fā)生共振的。由(14)可知本設(shè)備液態(tài)硅的共振頻率為每分鐘113轉(zhuǎn)/分，這與晶轉(zhuǎn)與埸轉(zhuǎn)的代數(shù)和相差其遠，所以目前的埸轉(zhuǎn)與晶轉(zhuǎn)的擾動無法使硅液發(fā)生共振。

4 ???■‘1 II1_F詵Nl包景更改Kit弓 itf1 111：51：5：0102一-圖(13)Sil?llt(4 >Xt中岐射料titSrooi|i｝不龐穴“電錠頃1.2坦煙系統(tǒng)轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)的不平衡力從圖（3）可以看出堪轉(zhuǎn)的各零件都是對稱的圓形物體，正常情況只要材質(zhì)均勻,滿足圖紙上的形位公差的要求，其不平衡的質(zhì)量是非常小的，轉(zhuǎn)數(shù)乂很慢。所以轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的不平衡力是可以略長不計。一般很難出現(xiàn)像單晶轉(zhuǎn)那樣兒何中心與轉(zhuǎn)動中心不共線，因而預(yù)防的難度大為減小。1.2.1給煙軸與轉(zhuǎn)動軸共線但傾斜當垠轉(zhuǎn)軸與水平面不垂直，就會出現(xiàn)如圖（4）所示，這時液態(tài)硅的重心就會偏離轉(zhuǎn)軸。此時，可把傾斜轉(zhuǎn)動分解

成兩種轉(zhuǎn)動一一繞y軸及x軸的兩種轉(zhuǎn)動，繞y方向的轉(zhuǎn)動與我們生產(chǎn)相符不會有危害產(chǎn)生，而繞X軸的轉(zhuǎn)動可分兩種情況研究：①轉(zhuǎn)動速度較大出現(xiàn)R（o2x>g,這時轉(zhuǎn)動的液體會隨著X軸一起轉(zhuǎn)動形成一個封閉的環(huán)鬼這在單晶爐中不會發(fā)生。錯誤！未找到引用源。轉(zhuǎn)動速度較小時出現(xiàn)Ro）2x<g,這時液態(tài)硅不能隨軸作完整的圓周運動。只能轉(zhuǎn)到一定的位置，就滾落下來見圖（5）這時液硅從底層源源不斷地被帶到左側(cè)的較高壁面上，而后乂從液硅的上表面回流到右側(cè)較低的液面上，形成了一個閉循環(huán)。使坦煙像個水泥攪拌機，好處使液硅的成份更加均勻一致，缺點是把址煙壁上脫落的雜質(zhì)充分地帶到熔體中也增加了對珀埸壁的腐蝕作用。在實際生產(chǎn)中由于址煙的轉(zhuǎn)軸的傾斜造成的攪拌會使懸在其液面上的單晶棒受到一個偏心的推力，造成被拉的晶棒向一邊偏斜（量是非常?。?，但力的方向不變，因而不會造成晶棒振動O1.2.2堪轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸與用堤中心軸不共線1.22.1珀埸轉(zhuǎn)軸與址煙中心軸平行但不共線此況發(fā)生在兩段螺紋連接的間隙過大（鋼軸與石墨軸、石墨托柄與石墨軸）托盤與三瓣垠，三瓣崩與石英用垠之間的公差過寬時出現(xiàn)。根據(jù)文獻［5］可知：F=Ra）2m（16）式中：F 不平衡力（N）,m 偏心質(zhì)量（kg）,3 轉(zhuǎn)動角速度（l/s）,R一一偏心距（m）計算出它的不平衡力。這時m取盛料后的珀崩內(nèi)外的全部質(zhì)量，其值很大必然造成堪崩晃動液面不穩(wěn)，這時懸垂在其上的晶棒起到了一個對液體晃動的穩(wěn)定作用，同時自身也受到了由于液體的粘滯阻力而帶來的沖刷作用。其力雖然不大，但對懸垂的晶棒穩(wěn)定性的作用十分強烈，可使其發(fā)生的振動必須消除否則無法生產(chǎn)。1.2.2.2煙轉(zhuǎn)的軸與址煙中心軸成一個角度此況發(fā)生在石墨軸、珀垠鋼軸、石墨軸上端的托柄，三件的螺紋與端面不垂直。安裝旋轉(zhuǎn)擰緊時出現(xiàn)這種現(xiàn)象。它對系統(tǒng)穩(wěn)定性的危害是前兩種（1.21節(jié)與1.2.21節(jié)）的綜合。但它與1.2.1節(jié)的區(qū)別是前者址煙軸是旋轉(zhuǎn)中心軸而本節(jié)址煙中心軸要圍繞垠轉(zhuǎn)的軸做軌跡為錐面的旋轉(zhuǎn)運動，因而更復雜所以更應(yīng)避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。1.2.3崩轉(zhuǎn)與川煙軸共線且垂直于水平面但存在偏心質(zhì)量。產(chǎn)生這一現(xiàn)象大多是石墨材質(zhì)的一致性不好加之三瓣崩、石英址煙不對稱。添裝的硅料偏重一側(cè)造成的這一現(xiàn)象，隨著徒的全部熔化而使裝料偏重消失緩解了質(zhì)量的偏心?？墒怯捎跓熮D(zhuǎn)的速度一慣很慢，因而使危害的影響得以變小，但也應(yīng)當盡量消除之。1.3垠轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸與晶轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸的異常錯位對拉晶穩(wěn)定性的影響1.3.1崩轉(zhuǎn)軸與晶轉(zhuǎn)軸共線但與水平面不垂直，此況見圖6初6肄但磚W捋宜初6肄但磚W捋宜斜角。不變時，隨著晶棒的增長其不平衡力也在增加。當這一

不平衡力的轉(zhuǎn)動頻次與晶轉(zhuǎn)頻次的和與共振頻率接近時晶棒將產(chǎn)生幅度越來越大的擺動，隨著拉晶的進行晶棒的共振頻率在升高使之遠離共振區(qū)，這時晶棒的擺動將慢慢減弱下來。應(yīng)當說明的是當晶轉(zhuǎn)與堪轉(zhuǎn)都存在不平衡力的周期作用時，這時垂在液面上的晶棒所受的不平衡力的作用頻次將是兩者的代數(shù)和。當然這兩個周期的作用的力共同作用在晶棒上產(chǎn)生的合成振動是很復雜的，會出現(xiàn)很多高次諧波啊并且也不會是簡單圓錐擺的振動。在實踐中我們在一臺對中水平都調(diào)好單晶爐上拉晶，由于地基沒有打而是在一薄層水泥地面上按放主機引晶測得主機的水平儀偏離約16個格（即0.32mm/1000mm）晶轉(zhuǎn)為12轉(zhuǎn)/分，而垠轉(zhuǎn)為6.5轉(zhuǎn)/分，在共振區(qū)間為15-21轉(zhuǎn)/分的爐中拉晶，當晶棒長到300左右亳米時就出現(xiàn)共振的大幅擺動，隨著晶棒的增長很快振動減弱下來。這就是實踐上的證明。由此可知當晶轉(zhuǎn)與崩轉(zhuǎn)同時存在不平衡力時將使晶棒受到的作用力的頻次躍升到二者之和很易進入晶轉(zhuǎn)的共振區(qū)。因而應(yīng)消除這種情況，因為它對拉晶穩(wěn)定性影響非常大。1.3.2崩轉(zhuǎn)軸與晶轉(zhuǎn)軸動平衡良好平行且垂直于水平面但不共線囹7平行不夫揚示恚囹這種情況是晶轉(zhuǎn)與垠轉(zhuǎn)的對中不好但水平調(diào)得很好。如圖（7）所示由于兩軸平行且垂直于水平面因而各自的轉(zhuǎn)動都沒有造成交變的不平衡力。只是晶棒的下端與熔體之間的粘性磨擦力不對稱出現(xiàn)晶棒外沿A相對的速度增大，而內(nèi)沿B側(cè)則減少進而出現(xiàn)外沿A粘性磨擦力增大而內(nèi)側(cè)B的則減小。迫使晶棒出現(xiàn)一個穩(wěn)定不變的微小轉(zhuǎn)角，按伯努力方程原理會出現(xiàn)B點的壓強大于A囹7平行不夫揚示恚囹1.3.3晶轉(zhuǎn)軸與煙轉(zhuǎn)軸不共軸也不垂直于水平面。這種情況是崩轉(zhuǎn)與晶轉(zhuǎn)的對中不好水平也沒調(diào)好造成的，這種情況就是文中的前二種情況的綜合，危害大要認真排除。垠轉(zhuǎn)系統(tǒng)振動的預(yù)防錯誤！未找到引用源。針對1.2.1節(jié)應(yīng)使垠轉(zhuǎn)的磁流體密封的轉(zhuǎn)軸與下端面的垂直度公差的變的更小。一般應(yīng)小于0.05mm以內(nèi)，并在其所固定的端面上較水平確保水平度在半格左右。這樣可以確保用垠轉(zhuǎn)軸的垂直度。錯誤！未找到引用源。針對1221節(jié)把原工藝的螺紋連接變成錐形定位定心連接可有效解決轉(zhuǎn)軸之間連接的不同心問題。錯誤！未找到引用源。針對122.2節(jié)在安裝時要一段一段地用千分表測偏心量，這就可以有效地解決二軸之間不同心的問題。錯誤！未找到引用源。針對123選用各向同性的均質(zhì)石墨加工轉(zhuǎn)動零件。三瓣煙及石英用垠應(yīng)嚴格的對稱，這就可以保證堪轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)部分有很少的偏心質(zhì)量。錯誤！未找到引用源。崩轉(zhuǎn)與晶轉(zhuǎn)是否對中不十分重要。因為偏心拉晶己經(jīng)成為一種工藝，最重要的是一定把崩轉(zhuǎn)及晶轉(zhuǎn)的水平調(diào)好，這對設(shè)備的正常使用是極為重要的。要想調(diào)好后一勞永逸必須把安裝主機的地基打牢固。錯誤！未找到引用源。崩轉(zhuǎn)裝配完的校驗：把一個內(nèi)壁印有一圈圈同心圓刻度線的圓形容器放進托盤（或三瓣崩）的正中間，其內(nèi)放入彩色水把堪轉(zhuǎn)打到最高轉(zhuǎn)速，旋起來的水上沿和同心圓平行并且穩(wěn)定則說明垠轉(zhuǎn)良好，否則就是存在偏心或不平衡力過大。3.外界振動對拉晶穩(wěn)定的影響及預(yù)防3.1外界振動對拉晶的影響由上面的分析可知晶轉(zhuǎn)最怕的是每分鐘15-21次的超低頻振動。因為會引起晶轉(zhuǎn)系統(tǒng)的共振。而崩轉(zhuǎn)的共振頻率約75Hz,遠之高于晶轉(zhuǎn)和垠轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動頻率而崩轉(zhuǎn)系統(tǒng)的剛度遠大于晶轉(zhuǎn)懸垂下來的生長著的晶棒，因而一般振動對埸轉(zhuǎn)本身的影響甚微。用崩中液硅對20寸的說來其共振頻率為1.87Hz,近似于跑步的頻率。這一頻率也是人類在生產(chǎn)活動及生活中最易創(chuàng)造出的頻率，因而熔硅受外界的擾動可能最多、最頻.必須認真尋源嚴格防范之。3.2對外界振動的預(yù)防，錯誤！未找到引用源。質(zhì)量越小的物體受外界振動的干擾就越大電因而主機安裝的地基座有較大的質(zhì)量和剛度。后者是為了防止地基下沉傾斜影響己調(diào)好的主機的水平度，用以保證己調(diào)好的主機的水平度永遠不變化。我公司生產(chǎn)的95kg爐下支架尺寸為2000*1400,而地基都是2600*2000*1800其目的就是消弱振動永保水平不變。錯