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)
隨著全球光伏產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)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(zhì)量、更低成本的新要求,因此提高藍寶石晶體生長設(shè)備的質(zhì)量成為了行業(yè)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(chǎn)藍寶石在引晶階段籽晶桿的振動對晶體缺陷的產(chǎn)生有著非常大的影響,因此對晶體爐提拉系統(tǒng)的靜動態(tài)特性研究對于提升晶體爐的性能至關(guān)重要[2]。
現(xiàn)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(jié)構(gòu)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(tài)特性的研究較少。郭余慶等[3]通過數(shù)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(yōu)的結(jié)論。汪傳勇等[4]利用專業(yè)晶體生長數(shù)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(jié)構(gòu)變形情況和應力分布,驗證了單晶爐機架結(jié)構(gòu)的靜態(tài)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(tǒng)的靜動態(tài)特性進行了分析,以期找到提拉系統(tǒng)在運行中產(chǎn)生振動的原因和薄弱環(huán)節(jié),為實際生產(chǎn)和后續(xù)的優(yōu)化提供參考。
LJ-200型號泡生法晶體爐的提拉系統(tǒng)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(zhuǎn)電動機、波紋管和籽晶桿等部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 提拉系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)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(jié)果影響較小的部件;3)將模型中各處焊接結(jié)構(gòu)簡化為剛性連接。建立三維模型,如圖2所示。
圖2 提拉系統(tǒng)三維模型
進行有限元分析時,網(wǎng)格質(zhì)量的高低能夠在很大程度上決定分析結(jié)果的準確性,但網(wǎng)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(wǎng)格數(shù)量之間需要找到一定的平衡[6]。為了減少整體網(wǎng)格數(shù)量,提升計算速度,在進行網(wǎng)格劃分時,對關(guān)鍵受力部位網(wǎng)格精細劃分,對結(jié)果影響較小的部位的網(wǎng)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(tǒng)有限元模型
靜態(tài)分析一般適用于計算固定載荷下系統(tǒng)或部件的位移、應力和應變情況,可以為后續(xù)提拉系統(tǒng)中部件的優(yōu)化提供一定的參考,因此有必要對其進行靜力分析[8]。
1)接觸設(shè)置。將模型各處之間的螺栓連接設(shè)置為綁定接觸來模擬螺栓結(jié)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(shè)置為摩擦接觸,摩擦因數(shù)設(shè)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(shè)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(fā)生旋轉(zhuǎn)而不能分離,因此給小立柱轉(zhuǎn)軸的底面也設(shè)置固定約束,如圖4所示。
圖4 提拉系統(tǒng)載荷施加情況
靜態(tài)分析結(jié)果如圖5、圖6所示。
圖5 變形云圖
圖6 應力云圖
根據(jù)圖5分析結(jié)果可知,提拉系統(tǒng)的最大變形量為3.8702 mm,最大形變發(fā)生在籽晶桿部位,提拉系統(tǒng)最大屈服應力為161.57 MPa,符合實際情況。
綜上所述,提拉系統(tǒng)中籽晶桿的變形較大,可能影響后續(xù)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(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié),后續(xù)應該考慮對其進行優(yōu)化。
晶體爐在運行過程中,提拉系統(tǒng)不可避免地會產(chǎn)生振動[9]。同時電源柜、真空泵、冷卻水系統(tǒng)產(chǎn)生的振動還可能會使提拉系統(tǒng)產(chǎn)生共振,從而大大影響引晶精度,使晶體產(chǎn)生粘鍋等缺陷。通過動態(tài)分析可以計算出提拉系統(tǒng)的固有頻率和振型,從而有效避免共振[10]。因此,對提拉系統(tǒng)進行動態(tài)特性分析對于提高系統(tǒng)運行時的穩(wěn)定性非常重要。
由于實際生產(chǎn)中的振動主要發(fā)生在引晶階段,因此本文只針對引晶階段的提拉系統(tǒng)進行模態(tài)分析。采用與靜力分析相同的有限元模型和邊界條件。
前6階模態(tài)分析結(jié)果如圖7所示。提取整理振型結(jié)果如表1所示。
表1 模態(tài)分析結(jié)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(tài)結(jié)果。第1階和第2階模態(tài)固有頻率在10 Hz左右,頻率較低,容易受外界振動干擾,產(chǎn)生共振。通過模態(tài)分析結(jié)果可知,提拉系統(tǒng)中最薄弱環(huán)節(jié)為籽晶桿部位,后期應著重優(yōu)化其與稱重傳感器和滑座之間的連接方式。
1)通過靜態(tài)分析,得到提拉系統(tǒng)最大形變?yōu)?.8702 mm,發(fā)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(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。
2)通過對提拉系統(tǒng)進行模態(tài)分析,得到了提拉系統(tǒng)的固有頻率和低階模態(tài)參數(shù)。結(jié)果說明低階模態(tài)對籽晶桿影響很大,應著重優(yōu)化籽晶桿和籽晶桿與其它部位的連接方式,也為避免產(chǎn)生共振提供了理論依據(jù)。