单晶炉下转动振动问题的预防.doc

单晶炉拉晶过程中锅转系统及外界引起振动问题的探讨及预防 叶晋 运用基础理论探讨出锅转系统引起振动的原因： 锅转轴与坩埚中心轴不共线，不垂直于水平面及材质、几何形状不对称造成的质量偏心。解决的方法安装调试时水平的误差应限定在一格之内，地基要坚固质量大以防使用过程中出现倾斜，锅转的转动部分形位公差一般控制在0.05mm以内，边安装边用千分表测同心度，确保偏心量在0.05mm之内，对外界0.3Hz 1.9Hz的低频振动要严加防范。预防方法：用重机架，重基础，软连接来消弱振动，用防振沟阻断振源。关键词：单晶炉、锅转、垂直、水平面、振动 单晶炉拉晶过程中按其振源可分为三类，一是晶转引起的 二是锅转系统引起的，三是外部振动引起的，本文仅探讨第二第三类振动的解决方法，目地弄清各种振动的固有频率所在的大致范围，从中可知哪些外界振动对拉晶的影响最大、最应寻源预防。 1. 埚转系统产生振动的理论分析 1.1坩埚转动系统的共振分析 1.1.1坩埚转动的径向振动分析 坩埚转动系统可以简化成一个悬肩梁受垂直于梁的力的振动问题由文献[1]知 QA= ——————（1） 式中 QA——A点的转角（孤度） P——集中载荷所受内力，本文是坩埚转动 时产生的不平衡力（N） L——臂长 文中指坩埚系统的质心到支承中心的距离（m） E——材料的弹性模量 本文是不锈钢转轴，石墨转轴的平均值（Pa） E= ——————（2） 式中分别为钢轴、石墨轴的长度及弹性模量。 ——截面对Y轴的惯性矩（ m4） =?d4/64 ——————（3） d——转动轴的直径（m） 图11可以简化成一个重物弹簧系统，根据文献[2]可知其振动 周期：T=2? ——————（4） 式中 T——坩埚转轴系统的振动周期（S） m——坩埚转轴系统的质量 (kg) K——坩埚转轴系统的弹簧刚度（N/m） 上式中简化成： T= ——————（5） （2）式中的=2.06*Pa,=1.25*Pa,由图（3）可知： =357mm L石=837mm。将值代入（2）式得 E=7*1010Pa ——————(6) (5)式中 m≈140kg（装料后的坩埚转动质量），L=L石+L钢=1.194M d=0.1m , 将值代入（5）式中得：T=0.013(S) ——————（7） f==75(Hz) ——————（8） 由上面计算可知埚转的共振频率比市用交流电还高，而拉晶过程中的转数远远低于这个频率，不会出现与埚转共振的现象。 1.1.2坩埚内熔硅液面晃动的共振分析 坩埚内熔硅的晃动的固有频率与坩埚的几何尺寸有关与液态硅的粘度有关，是很复杂的受约束流体的三维动荡问题。为了揭示出这样流体的运动规律，我们把它简化为理想流体的二维运动。其分析如图（2）所示 液态硅某一瞬间在埚内振荡形状如图中的虚线所示，右边一块被压下排挤出去的体积块A正好等于左边那块被挤上来的体积块B。A、B大小形状均一样且中心对称于摆动中心的O点，O点尤如单摆中悬线的固定端，如果摆动十分稳定又无粘性、无阻尼那么O点是不动的且与两端距离相等。其摆长是O点到A(或B)液体质心的距离，这样我们就把熔硅的液面波动问题简化成单摆运动。其振动周期T＝——（9）式中：L——摆长（m）， g——重力加速度（m/s2）—即质心与容器轴的垂直距离计算。此时摆长为定值，这时计算出的值总是偏小的，但精度也较高。 如图（2）所示为边长是a的正方形，那么由文献[3]可知： = a ——————（10） 如果图（12）所示为一个半径为R的圆柱形，那么由文献[3]可知： ＝ ——————（11） 为了验证公式的正确性，我们做了如下二个实验： ①在长880mm，宽度300mm，高900mm的水槽中沿880mm方向振动。 ②在φ405mm，高500mm的圆柱形水桶沿任意直径方向振动。 其实测与计算的振动周期分别为： T880测＝1.15（S） T880理=1.086(S) ——————（12） Tφ405测=0.7(S) Tφ405理 =0.59(S) ——————(13) 通过对上述两组数据的比较可知（12）式中的误差比（13）式中小，其原因是在一个 长的水槽中观测水面波幅为50mm时液体的升角要远小于在圆桶中的升角 ，因而前 者更接近于小摆幅，而后者就不属于小摆幅。因而造成前者精度高，而后者低。在实 验中我们发现同对100次振动计时大波幅的时间略长于小摆幅的，这说明前文的理论 分析是正确的。在实验中我们发现在液位的高度不影响液面波形