配合參數(shù)對(duì)單晶爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的影響分析

黃 鳴，王 維

(北京北方華創(chuàng)真空技術(shù)有限公司，北京 100015)

0 引 言

為減少碳排放，世界各國(guó)都在倡導(dǎo)并推進(jìn)新能源和可再生能源技術(shù)，太陽(yáng)能技術(shù)是其中最重要的技術(shù)之一。在光伏領(lǐng)域中，硅基類電池板在光伏電池板中的占有量超過(guò)了90%[1]，單晶硅作為太陽(yáng)能電池的重要材料，以衰減率低、轉(zhuǎn)化率高、晶體品質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于航空航天、電子通信、國(guó)防軍工、新能源等多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域[2]。單晶爐是太陽(yáng)能級(jí)單晶硅原材料制備環(huán)節(jié)的主要裝備，其性能的好壞會(huì)直接影響單晶硅材料的生產(chǎn)成本、質(zhì)量和純度，對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生重要影響。在此背景下，單晶硅生產(chǎn)商對(duì)單晶爐裝備的高產(chǎn)能、高效率、低成本提出了更高的要求。為保證擴(kuò)容后的單晶爐能夠穩(wěn)定運(yùn)行并控制制造成本，迫切需要對(duì)單晶爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行仿真分析，并根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)單晶爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。

單晶爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由若干個(gè)零件按照規(guī)定的方式和順序裝配而成，在零件裝配過(guò)程中，裝配公差精度對(duì)機(jī)械裝備動(dòng)態(tài)性能具有重要影響[3]。機(jī)械產(chǎn)品的裝配是產(chǎn)品制造的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的裝配過(guò)程不是將合格零件簡(jiǎn)單地連接起來(lái)，而且要通過(guò)合理的公差配合，才能達(dá)到產(chǎn)品質(zhì)量要求[4]。在機(jī)構(gòu)裝配中，為滿足機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性，在零件配合處需給定裝配間隙。裝配間隙偏差的大小和方向在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中不斷發(fā)生變動(dòng)，直接影響產(chǎn)品的裝配精度。因此，裝配間隙偏差在機(jī)構(gòu)裝配精度預(yù)測(cè)時(shí)不容忽視[5]。

絲杠螺紋傳動(dòng)是單晶爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的主要傳動(dòng)方式，其是通過(guò)絲杠與螺母組成的螺紋副實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)要求的，可以將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)傳遞運(yùn)動(dòng)與驅(qū)動(dòng)力，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)[6]。絲杠螺母升降機(jī)在工程中應(yīng)用廣泛，但它的動(dòng)力學(xué)特性研究還較為欠缺，Dupont等[7-8]利用一自由度模型解釋了升降機(jī)振動(dòng)的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性與螺母及絲杠的質(zhì)量、摩擦系數(shù)及螺旋角有關(guān)。Gallina等[9-10]利用絲杠的軸向及扭轉(zhuǎn)剛度建立二自由度力學(xué)模型，從理論上證明了這一現(xiàn)象。張武等[11]介紹了Gallina二自由度動(dòng)力學(xué)模型及穩(wěn)定性判據(jù)，結(jié)合某產(chǎn)品升降機(jī)構(gòu)參數(shù)，探討了其運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中絲杠與螺母間摩擦系數(shù)的變化對(duì)升降機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性的影響及控制措施。李梅等[12]利用Gallina二自由度模型對(duì)升降機(jī)在下降過(guò)程中發(fā)出的異響聲和振動(dòng)進(jìn)行研究，得到了摩擦系數(shù)、絲杠中徑和軸向載荷對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的曲線，并提出了避免螺旋升降機(jī)自激振動(dòng)的措施。目前對(duì)升降機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的研究側(cè)重于其自激振動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)其運(yùn)行過(guò)程驅(qū)動(dòng)性能的研究較為缺乏，如何減小運(yùn)行過(guò)程所需驅(qū)動(dòng)仍是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

本文以NVT-HG2000-V1型單晶爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的主爐室提升裝置為研究對(duì)象，建立了其動(dòng)力學(xué)仿真模型，模擬了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程。分析了銅套與升降軸的配合間隙和絲杠傾斜度、螺紋螺距以及螺紋間摩擦系數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力矩大小的影響規(guī)律。依據(jù)分析結(jié)果調(diào)整關(guān)鍵零部件尺寸公差和裝配精度，避免不必要的材料浪費(fèi)，保證系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)闹圃斐杀鞠驴煽窟\(yùn)行。進(jìn)而為單晶爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)、動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)等提供數(shù)據(jù)參考與模型基礎(chǔ)。

1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仿真模型建立

ADAMS是使用廣泛的虛擬樣機(jī)軟件，用于機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析[13]。其具有強(qiáng)大的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析功能，但在三維建模方面的效率并不高[14]，本文基于SolidWorks平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)單晶爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的三維建模與虛擬裝配。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步運(yùn)用ADAMS建立單晶爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)模型，定義相關(guān)材料屬性，施加約束和載荷，對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性的數(shù)值仿真。采用控制變量法，改變模型或相關(guān)參數(shù)，分析銅套與升降軸的配合間隙及絲杠傾斜度、螺紋螺距、螺紋間摩擦系數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中驅(qū)動(dòng)力及驅(qū)動(dòng)力矩大小的影響規(guī)律。

1.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成

單晶爐機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括主爐室、副爐室、提拉頭等，如圖1(a)所示。本文以單晶爐主爐室驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真分析，系統(tǒng)主要零部件包括旋轉(zhuǎn)臂、升降機(jī)、升降螺母、升降座、2個(gè)銅套、升降軸、推力軸承、2個(gè)銅墊、導(dǎo)向座、定位塊、2個(gè)滑塊、旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及升降軸與旋轉(zhuǎn)臂連接用的銷釘。由升降機(jī)驅(qū)動(dòng)升降座產(chǎn)生上下運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)臂帶動(dòng)升降軸及旋轉(zhuǎn)臂產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主爐體的提升與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如圖1(b)所示。

圖1 單晶爐及主爐室驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)Fig.1 Single crystal furnace and main furnace chamber drive system

1.2 絲杠螺母初始模型

為探究絲杠參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響，結(jié)合主爐絲杠型號(hào)梯形螺紋D46×8，建立單晶爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)絲杠與螺母配合的精細(xì)模型如圖2所示。絲杠與螺母中的梯形螺紋尺寸參數(shù)根據(jù)GB/T5796.1—2005《梯形螺紋 第1部分：牙型》和GB 5796.2—2005《梯形螺紋 第2部分：直徑與螺距系列》設(shè)置，取絲杠高度為600 mm。初始模型中，螺紋螺距為8 mm，中徑為42 mm，摩擦系數(shù)為0.15。

圖2 絲杠螺母精細(xì)模型Fig.2 Fine model of lead screw nut

1.3 仿真前處理

本文僅討論主爐室驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)零件的配合和約束關(guān)系，單晶爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的其他零部件做整體綁定。主爐室驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上部有導(dǎo)向座、定位塊以及銅套(上)。中部有升降軸、從動(dòng)臂和銷釘，與周圍零件全部做接觸設(shè)置。下部有升降座、升降螺母、銅套(下)和推力軸承。旋轉(zhuǎn)臂單獨(dú)為一個(gè)部分，與周圍零件之間做接觸設(shè)置。升降座和導(dǎo)向座分別和滑塊(下)以及滑塊(上)做綁定約束，上下滑塊相對(duì)于導(dǎo)軌添加移動(dòng)副約束(translational)。通過(guò)在升降螺母和從動(dòng)臂上施加驅(qū)動(dòng)力以實(shí)現(xiàn)主爐的提升與旋轉(zhuǎn)，升降螺母相對(duì)于升降機(jī)添加移動(dòng)副約束，從動(dòng)臂相對(duì)于升降機(jī)添加轉(zhuǎn)動(dòng)副約束(cylindrical)。單晶爐主爐室驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，銅套、銅墊與升降螺母材料設(shè)置為銅，其他部件材料均設(shè)為鋼。各材料物性參數(shù)如表1所示。爐體夾持中心承受主爐負(fù)載1.3 t，方向豎直向下，仿真過(guò)程考慮重力影響。

表1 各材料物性參數(shù)Table 1 Physical parameters of materials

單晶爐主爐室驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分為兩個(gè)階段，首先由升降螺母驅(qū)動(dòng)整體做提升運(yùn)動(dòng)，達(dá)到要求高度后停止運(yùn)動(dòng)，隨后從動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)升降軸及旋轉(zhuǎn)臂做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)臂達(dá)到要求角度后停止運(yùn)動(dòng)。根據(jù)實(shí)際工作工況，主爐提升裝置負(fù)載1.3 t，提升速度為3.75 mm/s，提升行程為1 500 mm，旋轉(zhuǎn)時(shí)角速度為3.18(°)/s，旋轉(zhuǎn)角度為98.5°。

提升螺母驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)定為：0～1 s速度為0，1～4 s速度由0勻加速到3.75 mm/s，4～394 s保持勻速為3.75 mm/s，394～395 s速度由3.75 mm/s勻減速到0。驅(qū)動(dòng)螺母速度變化曲線如圖3所示。仿真絲杠螺母運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí)，驅(qū)動(dòng)螺母以3.75 mm/s的速度勻速向上運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)間取50 s。

圖3 驅(qū)動(dòng)螺母提升速度變化Fig.3 Lifting speed of the driving nut

從動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)規(guī)律設(shè)定為：0～395 s速度為0，395～398 s角速度由0勻速增加到3.18(°)/s，398～430 s角速度保持3.18(°)/s，430 s時(shí)所有運(yùn)動(dòng)結(jié)束。從動(dòng)臂角速度變化曲線如圖4所示。

圖4 從動(dòng)臂角速度變化Fig.4 Angular velocity of the driven arm

2 配合間隙對(duì)單晶爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)影響分析

單晶爐主爐室驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)時(shí)，銅套與升降軸的公差間隙為0 mm，提升時(shí)升降螺母所需驅(qū)動(dòng)力變化如圖5所示，升降螺母在豎直方向所需驅(qū)動(dòng)力很快達(dá)到15 837 N，并在之后保持基本穩(wěn)定。

圖5 提升段驅(qū)動(dòng)力隨時(shí)間變化Fig.5 Driving force changes with time in lifting time

旋轉(zhuǎn)時(shí)從動(dòng)臂所需驅(qū)動(dòng)力矩變化如圖6所示，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理。從動(dòng)臂的旋轉(zhuǎn)發(fā)生在395～430 s，當(dāng)從動(dòng)臂開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩在503 N·m到576 N·m范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖6 旋轉(zhuǎn)段驅(qū)動(dòng)力矩隨時(shí)間變化Fig.6 Driving torque changes with time in rotating time

根據(jù)技術(shù)要求，銅套公差變化范圍為0～0.02 mm，升降軸公差變化范圍為-0.036～-0.071 mm。在SolidWorks中對(duì)銅套與升降軸模型進(jìn)行處理，使銅套內(nèi)側(cè)半徑尺寸分別增加0 mm和0.02 mm，升降軸外側(cè)半徑尺寸分別減小0.036 mm和0.071 mm，取公差變化范圍的極限情況，分析銅套與升降軸在不同配合間隙時(shí)所需驅(qū)動(dòng)的變化情況。圖7是銅套與升降軸在不同公差間隙時(shí)對(duì)應(yīng)平均驅(qū)動(dòng)力矩的變化，表2為銅套與升降軸在不同配合間隙時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)所需驅(qū)動(dòng)力及驅(qū)動(dòng)力矩。

由仿真結(jié)果可知，隨銅套與升降軸配合間隙增大，兩者在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提升及旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的活動(dòng)量增大，局部接觸面積減小，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)阻力減小，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)所需驅(qū)動(dòng)力矩呈下降趨勢(shì)。當(dāng)配合間隙達(dá)到0.071 mm時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)所需力矩最小，在達(dá)到技術(shù)要求的最大配合間隙0.091 mm時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩大小保持基本穩(wěn)定。

3 絲杠參數(shù)對(duì)單晶爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)影響分析

3.1 絲杠傾斜度影響分析

考慮絲杠傾斜度對(duì)提升驅(qū)動(dòng)力矩的影響，在SolidWork中將絲杠模型軸線分別傾斜0.03°、0.04°、0.05°、0.06°。經(jīng)仿真計(jì)算，不同絲杠傾斜度時(shí)單晶爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提升所需驅(qū)動(dòng)力矩如圖8所示，隨絲杠傾斜度增大，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)所需驅(qū)動(dòng)力矩整體呈上升趨勢(shì)，在傾斜度由0.03°增加至0.04°時(shí)，運(yùn)動(dòng)所需驅(qū)動(dòng)力矩急劇增加。當(dāng)絲杠處于豎直狀態(tài)時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行所需驅(qū)動(dòng)力矩最小。

圖8 驅(qū)動(dòng)力矩隨絲杠傾斜度變化Fig.8 Driving torque changes with lead screw inclinations

3.2 螺紋螺距影響分析

螺紋加工過(guò)程中所產(chǎn)生的螺距誤差使理想條件下的接觸應(yīng)力發(fā)生變化，螺栓擰緊過(guò)程中的扭矩與預(yù)緊力關(guān)系也隨之發(fā)生變化[15]。考慮不同螺紋螺距對(duì)單晶爐主爐室驅(qū)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)所需力矩的影響，避免螺紋數(shù)量對(duì)仿真結(jié)果的影響，保持螺母高度為一個(gè)螺紋高度，絲杠螺母螺距分別為6 mm、7 mm、8 mm、9 mm以及12 mm時(shí)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提升所需驅(qū)動(dòng)力矩如圖9所示。根據(jù)仿真結(jié)果，隨螺距增大，驅(qū)動(dòng)螺母提升所需驅(qū)動(dòng)力矩整體呈上升趨勢(shì)，在螺紋螺距由8 mm增大到9 mm時(shí)，運(yùn)動(dòng)所需力矩有小幅降低。為降低驅(qū)動(dòng)力矩，應(yīng)選用螺距較小的絲杠螺母。

圖9 驅(qū)動(dòng)力矩隨螺距變化Fig.9 Driving torque changes with thread pitches

3.3 螺紋間摩擦系數(shù)影響分析

在ADAMS軟件環(huán)境中對(duì)初始狀態(tài)下的螺紋設(shè)置不同的摩擦系數(shù)，考慮螺紋間摩擦系數(shù)對(duì)螺母提升驅(qū)動(dòng)力矩的影響。絲杠螺母間摩擦系數(shù)為0.08、0.10、0.12、0.15以及0.20時(shí)提升所需驅(qū)動(dòng)力矩如圖10所示。隨摩擦系數(shù)增大，螺紋間的摩擦力增大，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)阻力增大，所需驅(qū)動(dòng)力矩呈線性增長(zhǎng)。因此在絲杠與螺母的選型上應(yīng)適當(dāng)減小摩擦系數(shù)，也可以考慮采用適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑措施，保證螺紋接觸面處于潤(rùn)滑狀態(tài)。

圖10 驅(qū)動(dòng)力矩隨螺紋摩擦系數(shù)變化Fig.10 Driving torques changes with friction coefficient of threads

4 結(jié) 論

本文以NVT-HG2000-V1型單晶爐主爐室驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為對(duì)象，建立了其動(dòng)力學(xué)仿真模型，對(duì)其運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。定量分析了銅套與升降軸的配合間隙與絲杠傾斜度、螺紋螺距、螺紋間摩擦系數(shù)對(duì)單晶爐主爐室驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所需驅(qū)動(dòng)力及驅(qū)動(dòng)力矩的影響，主要結(jié)論如下：

(1)隨銅套與升降軸的配合間隙增大，單晶爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行所需驅(qū)動(dòng)力矩呈降低趨勢(shì)，配合間隙達(dá)到0.071 mm時(shí)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行所需驅(qū)動(dòng)力矩明顯降低，配合間隙達(dá)到技術(shù)要求的最大值0.091 mm時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩保持基本穩(wěn)定。

(2)隨絲杠傾斜度增加，單晶爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行所需驅(qū)動(dòng)力矩大幅增加，在傾斜度由0.03°增加到0.04°時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩急劇增加，絲杠保持豎直狀態(tài)時(shí)所需驅(qū)動(dòng)力矩最小。為有效降低驅(qū)動(dòng)力矩，選型應(yīng)確保絲杠保持豎直。

(3)螺紋螺距越大，單晶爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行所需驅(qū)動(dòng)力矩整體呈上升趨勢(shì)，在螺紋螺距由8 mm增至9 mm時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩有小幅降低。

(4)隨螺紋間摩擦系數(shù)增大，單晶爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)所需力矩呈線性增長(zhǎng)，摩擦系數(shù)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致單晶爐驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中阻力大幅增加，可適當(dāng)增加潤(rùn)滑，提高運(yùn)行可靠性。