单晶炉晶转对振动问题的预防..doc

单晶炉拉晶过程中对振动问题的预防 叶晋 单晶炉在拉晶过程中振动问题是困扰该行业由来已久的难题。尤其是柔轴拉晶的机器在这一问题上表现更为严重。而国内的单晶炉大部分是这种方式，因而对这一问题的解决更是急需的。 单晶炉拉晶过程的振动按其振源可分为三类：一是晶转引起的；二是锅转引起的；三是外部振动引起的（包括外界环境的振动、水源、真空源、电器设备的运转等引起的振动）。一.晶转引起的振动预防 1. 晶转引起的振动理论分析 晶转引起的振动按产生的原因可分为二类：一是动平衡调试的不好引起的振动；二是籽晶绳垂线与转轴不共线引起的振动。 1.1 动平衡不良引起的振动 晶转系统在动平衡调试不良的情况下，会出现不平衡的质量在围绕轴转动时造成的离心力周期地驱动晶绳摆动。在力学上这一摆动是由晶绳及籽晶夹头（拉晶时还要加上正在生长的单晶棒）组成，并称之为单摆振动见图1，由文献 [1]可知，其振动的周期为： T=2π(L/g)1/2 (1) 式中：T：单摆振动的周期，单位为S； π：圆周率常数，π=3.1415926； L：摆长拉晶绳轮下端的垂线长加上晶棒系统的质心到籽晶夹头上端的距离单位为m ； g：重量加速度，常数 9.8m/s2； 1、下垂的晶绳； 2、摆锤 图1 单摆振动 对装料量为95 kg的单晶炉来说，初拉晶时L=4m左右，由(1)可知，T≈4 (S)，每分钟的摆动次数：n= =15(转/分)。拉晶快要结束时，L≈2m 左右，由(1)式可知，此时晶绳的摆动周期为：T=2.84(S)，每分钟的振动次数：n= =21(转/分)。 由上面的计算可知，拉晶初期对95kg的炉子最怕的外界干扰源的频率为15转/分。而在收尾时，最怕的外界干扰的频率是21转/分，对提拉头来说拉晶开始应避开15转/分的转数，而结尾时应避开21转/分。从中也可以知道变转数的拉晶有利于避开拉晶系统单摆的共振区，即一开始采用低转数拉晶，当晶绳变短时慢慢地提高晶转数值，这样为提高单晶棒的内在质量，即提高拉晶的转数，又合理地避开了它的共振区。 从设计的角度看减少晶绳的垂摆长度可以提高自身共振的固有频率，有利于提高晶转的转数，但这要付出减少拉晶晶棒长度的代价，不利于提高生产率，若能把提拉头的动平衡调的非常好，使其转动时不产生不平衡力，那么晶转的转数就与拉晶系统的单摆振动的周期无关，可事实上这一点在工程是难以做到的，因为晶转的过程中要有晶升，晶升就要使绳轮螺杆系统在铜丝母上旋转平移，自然会使已调好的动平衡受到破坏，故晶转避开共振区是必要的，从中也可以看出动平衡的调试在绳轮收线到一半的位置上进行最合适。 1.2转动轴与籽晶绳不共线引起的振动 提拉头的转动中心与晶绳的垂线不重合造成的质量偏心引起的振动分两种：一种是晶绳的垂线与转动轴线平行不共线，另一种两者交叉不共线，因而应分别研究。 1.2.1晶绳与转轴平行不共线引起的偏心振动 这种状态可分二种情况来研究：一是转轴就是动平衡轴；二是转动轴不是动平衡轴。 1.2.1.1转轴就是动平衡轴 这种状态晶绳及所悬的质量就成了围绕转轴旋转的附加物，它是被晶绳牵动的，如图(2)所示，此时转动所产生的不平衡力：[2] (2) m：晶绳系统的质量（包括籽晶夹头及生长着的晶棒）单位kg； r：不共线的两轴之间的距离，单位m； ω：:转轴的角速度，单位弧度/秒； F：晶绳系统围绕轴转动时产生的不平衡力，它通过晶绳的根部作用到提拉头上，单位N； 1．转轴 2．晶绳系统 图2 晶绳绕动平衡轴转动 由(2)式可知，当提拉头的转速ω较小及拉晶初期晶棒尺寸较小时, 即m小时，F力小，当然它作用在提拉头上的力也小，作用力基本是垂直的（即晶绳平行于转轴），可当转动速度ω增大及拉晶中后期晶棒较长时，F就变得较大了。这时它作用在提拉头上的力就较大且方向也不是垂直的而是向外张开一个角度，这必然要给晶绳系统一个较大的不平衡力使晶绳连同晶棒发生较大的摆动，如果这时的转动周期与晶绳单摆系统的固有周期接近时，摆幅将无限制的增加，即发生共振使系统不能工作。 1.2.1.2转动轴不是动平衡轴 这种情况偏心的质量不仅有晶绳的重锤（籽晶夹头及正在生长的晶棒）而且还有整个提拉头的质量一起绕转轴旋动。这时（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头上的分量也大，但在（2）式中F与ω的平方成正比因而当转速很小时对系统工作的影响也较小，可一但转速提高时这个力就变的很大使系统按转动周期进行振动，当这一周期与自身单摆的周期接近时将使系统无法工作。这种状态下系统的工作不如第一种状态稳定。 1.2.1.3 晶绳与转轴平行不共线引起振动的特征 晶绳与转轴平行不共线引起的