泡生法晶體爐提拉系統靜動態特性分析

李鑫，仵晨，楊軍良，耿祥晨，張金誠，鄭旭鴻

（西安理工大學機械與精密儀器工程學院，西安 710048）

0 引言

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

現有的對于泡生法晶體爐的研究大多集中于通過改進其熱場結構達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特性的研究較少。郭余慶等[3]通過數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的結論。汪傳勇等[4]利用專業晶體生長數值分析軟件模擬了藍寶石晶體生長過程，改進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種典型工況下的機架結構變形情況和應力分布，驗證了單晶爐機架結構的靜態性能。

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的靜動態特性進行了分析，以期找到提拉系統在運行中產生振動的原因和薄弱環節，為實際生產和后續的優化提供參考。

1 泡生法晶體爐提拉系統有限元模型的建立

LJ-200型號泡生法晶體爐的提拉系統由大立柱、小立柱、滾珠絲杠、導軌、滑座、套筒、稱重傳感器、提拉電動機、旋轉電動機、波紋管和籽晶桿等部分組成，其結構如圖1所示。

圖1 提拉系統機械結構示意圖

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

圖2 提拉系統三維模型

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

圖3 提拉系統有限元模型

2 泡生法晶體爐進給系統靜態特性分析

靜態分析一般適用于計算固定載荷下系統或部件的位移、應力和應變情況，可以為后續提拉系統中部件的優化提供一定的參考，因此有必要對其進行靜力分析[8]。

2.1 靜態分析參數設置

1）接觸設置。將模型各處之間的螺栓連接設置為綁定接觸來模擬螺栓結合面的接觸情況；將滑塊與導軌、滑座與滾珠絲杠之間的接觸設置為摩擦接觸，摩擦因數設置為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生旋轉而不能分離，因此給小立柱轉軸的底面也設置固定約束，如圖4所示。

圖4 提拉系統載荷施加情況

2.2 靜態分析結果

靜態分析結果如圖5、圖6所示。

圖5 變形云圖

圖6 應力云圖

根據圖5分析結果可知，提拉系統的最大變形量為3.8702 mm，最大形變發生在籽晶桿部位，提拉系統最大屈服應力為161.57 MPa，符合實際情況。

綜上所述，提拉系統中籽晶桿的變形較大，可能影響后續的晶體生長，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中的薄弱環節，后續應該考慮對其進行優化。

3 泡生法晶體爐提拉系統動態特性分析

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

3.1 提拉系統模態分析有限元模型

由于實際生產中的振動主要發生在引晶階段，因此本文只針對引晶階段的提拉系統進行模態分析。采用與靜力分析相同的有限元模型和邊界條件。

3.2 模態分析結果

前6階模態分析結果如圖7所示。提取整理振型結果如表1所示。

表1 模態分析結果

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階模態結果。第1階和第2階模態固有頻率在10 Hz左右，頻率較低，容易受外界振動干擾，產生共振。通過模態分析結果可知，提拉系統中最薄弱環節為籽晶桿部位，后期應著重優化其與稱重傳感器和滑座之間的連接方式。

4 結論

1）通過靜態分析，得到提拉系統最大形變為3.8702 mm，發生在籽晶桿部位，最大屈服應力為161.57 MPa，說明籽晶桿部位是提拉系統中的薄弱環節。

2）通過對提拉系統進行模態分析，得到了提拉系統的固有頻率和低階模態參數。結果說明低階模態對籽晶桿影響很大，應著重優化籽晶桿和籽晶桿與其它部位的連接方式，也為避免產生共振提供了理論依據。