單晶爐晶轉(zhuǎn)對振動問題的預(yù)防.doc

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1、單晶爐拉晶過程中對振動問題的預(yù)防葉晉單晶爐在拉晶過程中振動問題是困擾該行業(yè)由來已久的難題。尤其是柔軸拉晶的機器在這一問題上表現(xiàn)更為嚴(yán)重。而國內(nèi)的單晶爐大部分是這種方式，因而對這一問題的解決更是急需的。單晶爐拉晶過程的振動按其振源可分為三類：一是晶轉(zhuǎn)引起的；二是鍋轉(zhuǎn)引起的；三是外部振動引起的（包括外界環(huán)境的振動、水源、真空源、電器設(shè)備的運轉(zhuǎn)等引起的振動）。一.晶轉(zhuǎn)引起的振動預(yù)防1.晶轉(zhuǎn)引起的振動理論分析晶轉(zhuǎn)引起的振動按產(chǎn)生的原因可分為二類：一是動平衡調(diào)試的不好引起的振動；二是籽晶繩垂線與轉(zhuǎn)軸不共線引起的振動。1.1動平衡不良

2、引起的振動晶轉(zhuǎn)系統(tǒng)在動平衡調(diào)試不良的情況下，會出現(xiàn)不平衡的質(zhì)量在圍繞軸轉(zhuǎn)動時造成的離心力周期地驅(qū)動晶繩擺動。在力學(xué)上這一擺動是由晶繩及籽晶夾頭（拉晶時還要加上正在生長的單晶棒）組成，并稱之為單擺振動見圖1，由文獻[1]可知，其振動的周期為：T=2π(L/g)1/2(1)式中：T：單擺振動的周期，單位為S；π：圓周率常數(shù)，π=3.1415926；L：擺長拉晶繩輪下端的垂線長加上晶棒系統(tǒng)的質(zhì)心到籽晶夾頭上端的距離單位為m；g：重量加速度，常數(shù)9.8m/s2；1、下垂的晶繩；2、擺錘圖1單擺振動第10頁共10頁對裝料量為95kg

3、的單晶爐來說，初拉晶時L=4m左右，由(1)可知，T≈4(S)，每分鐘的擺動次數(shù)：n==15(轉(zhuǎn)/分)。拉晶快要結(jié)束時，L≈2m左右，由(1)式可知，此時晶繩的擺動周期為：T=2.84(S)，每分鐘的振動次數(shù)：n==21(轉(zhuǎn)/分)。由上面的計算可知，拉晶初期對95kg的爐子最怕的外界干擾源的頻率為15轉(zhuǎn)/分。而在收尾時，最怕的外界干擾的頻率是21轉(zhuǎn)/分，對提拉頭來說拉晶開始應(yīng)避開15轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)數(shù)，而結(jié)尾時應(yīng)避開21轉(zhuǎn)/分。從中也可以知道變轉(zhuǎn)數(shù)的拉晶有利于避開拉晶系統(tǒng)單擺的共振區(qū)，即一開始采用低轉(zhuǎn)數(shù)拉晶，當(dāng)晶繩變短時慢慢地提

4、高晶轉(zhuǎn)數(shù)值，這樣為提高單晶棒的內(nèi)在質(zhì)量，即提高拉晶的轉(zhuǎn)數(shù)，又合理地避開了它的共振區(qū)。從設(shè)計的角度看減少晶繩的垂擺長度可以提高自身共振的固有頻率，有利于提高晶轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)，但這要付出減少拉晶晶棒長度的代價，不利于提高生產(chǎn)率，若能把提拉頭的動平衡調(diào)的非常好，使其轉(zhuǎn)動時不產(chǎn)生不平衡力，那么晶轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)就與拉晶系統(tǒng)的單擺振動的周期無關(guān)，可事實上這一點在工程是難以做到的，因為晶轉(zhuǎn)的過程中要有晶升，晶升就要使繩輪螺桿系統(tǒng)在銅絲母上旋轉(zhuǎn)平移，自然會使已調(diào)好的動平衡受到破壞，故晶轉(zhuǎn)避開共振區(qū)是必要的，從中也可以看出動平衡的調(diào)試在繩輪收線到一半的

5、位置上進行最合適。1.2轉(zhuǎn)動軸與籽晶繩不共線引起的振動提拉頭的轉(zhuǎn)動中心與晶繩的垂線不重合造成的質(zhì)量偏心引起的振動分兩種：一種是晶繩的垂線與轉(zhuǎn)動軸線平行不共線，另一種兩者交叉不共線，因而應(yīng)分別研究。1.2.1晶繩與轉(zhuǎn)軸平行不共線引起的偏心振動這種狀態(tài)可分二種情況來研究：一是轉(zhuǎn)軸就是動平衡軸；二是轉(zhuǎn)動軸不是動平衡軸。1.2.1.1轉(zhuǎn)軸就是動平衡軸這種狀態(tài)晶繩及所懸的質(zhì)量就成了圍繞轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的附加物，它是被晶繩牽動的，如圖(2)所示，此時轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的不平衡力：[2](2)m：晶繩系統(tǒng)的質(zhì)量（包括籽晶夾頭及生長著的晶棒）單位kg；r

6、：不共線的兩軸之間的距離，單位m；ω：:轉(zhuǎn)軸的角速度，單位弧度/秒；F：晶繩系統(tǒng)圍繞軸轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的不平衡力，它通過晶繩的根部作用到提拉頭上，單位N；第10頁共10頁1．轉(zhuǎn)軸2．晶繩系統(tǒng)圖2晶繩繞動平衡軸轉(zhuǎn)動由(2)式可知，當(dāng)提拉頭的轉(zhuǎn)速ω較小及拉晶初期晶棒尺寸較小時,即m小時，F(xiàn)力小，當(dāng)然它作用在提拉頭上的力也小，作用力基本是垂直的（即晶繩平行于轉(zhuǎn)軸），可當(dāng)轉(zhuǎn)動速度ω增大及拉晶中后期晶棒較長時，F(xiàn)就變得較大了。這時它作用在提拉頭上的力就較大且方向也不是垂直的而是向外張開一個角度，這必然要給晶繩系統(tǒng)一個較大的不平衡力使晶繩連

7、同晶棒發(fā)生較大的擺動，如果這時的轉(zhuǎn)動周期與晶繩單擺系統(tǒng)的固有周期接近時，擺幅將無限制的增加，即發(fā)生共振使系統(tǒng)不能工作。1.2.1.2轉(zhuǎn)動軸不是動平衡軸這種情況偏心的質(zhì)量不僅有晶繩的重錘（籽晶夾頭及正在生長的晶棒）而且還有整個提拉頭的質(zhì)量一起繞轉(zhuǎn)軸旋動。這時（2）式中的m就很大，因而不平衡力F就更大且直接作用在提拉頭上的分量也大，但在（2）式中F與ω的平方成正比因而當(dāng)轉(zhuǎn)速很小時對系統(tǒng)工作的影響也較小，可一但轉(zhuǎn)速提高時這個力就變的很大使系統(tǒng)按轉(zhuǎn)動周期進行振動，當(dāng)這一周期與自身單擺的周期接近時將使系統(tǒng)無法工作。這種狀態(tài)下系統(tǒng)的工

8、作不如第一種狀態(tài)穩(wěn)定。1.2.1.3晶繩與轉(zhuǎn)軸平行不共線引起振動的特征晶繩與轉(zhuǎn)軸平行不共線引起的振動特征是：1）振動周期與晶轉(zhuǎn)永遠一致其軌跡是圓形；2）在極慢轉(zhuǎn)時重錘的尖繞轉(zhuǎn)動軸做圓周運動其回轉(zhuǎn)半徑就是兩軸的實際距離且與擺長無關(guān)；3）快轉(zhuǎn)時（遠離共振區(qū)）其回轉(zhuǎn)圓的半徑將劇烈地增大，快轉(zhuǎn)時受力的平衡如圖3