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，世界各國都在倡導(dǎo)并推進新能源和可再生能源技術(shù)，太陽能技術(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了90%[1]，單晶硅作為太陽能電池的重要材料，以衰減率低、轉(zhuǎn)化率高、晶體品質(zhì)好等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于航空航天、電子通信、國防軍工、新能源等多個專業(yè)領(lǐng)域[2]。單晶爐是太陽能級單晶硅原材料制備環(huán)節(jié)的主要裝備，其性能的好壞會直接影響單晶硅材料的生產(chǎn)成本、質(zhì)量和純度，對太陽能光伏發(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。為保證擴容后的單晶爐能夠穩(wěn)定運行并控制制造成本，迫切需要對單晶爐驅(qū)動系統(tǒng)的運動過程進行仿真分析，并根據(jù)仿真結(jié)果對單晶爐驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行改進優(yōu)化。

單晶爐驅(qū)動系統(tǒng)由若干個零件按照規(guī)定的方式和順序裝配而成，在零件裝配過程中，裝配公差精度對機械裝備動態(tài)性能具有重要影響[3]。機械產(chǎn)品的裝配是產(chǎn)品制造的最后一個環(huán)節(jié)，產(chǎn)品的裝配過程不是將合格零件簡單地連接起來，而且要通過合理的公差配合，才能達到產(chǎn)品質(zhì)量要求[4]。在機構(gòu)裝配中，為滿足機構(gòu)的運動特性，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構(gòu)運動中不斷發(fā)生變動，直接影響產(chǎn)品的裝配精度。因此，裝配間隙偏差在機構(gòu)裝配精度預(yù)測時不容忽視[5]。

絲杠螺紋傳動是單晶爐驅(qū)動系統(tǒng)運行過程的主要傳動方式，其是通過絲杠與螺母組成的螺紋副實現(xiàn)傳動要求的，可以將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，同時傳遞運動與驅(qū)動力，具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動平穩(wěn)等優(yōu)點[6]。絲杠螺母升降機在工程中應(yīng)用廣泛，但它的動力學(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振動的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)機構(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二自由度動力學(xué)模型及穩(wěn)定性判據(jù)，結(jié)合某產(chǎn)品升降機構(gòu)參數(shù)，探討了其運轉(zhuǎn)過程中絲杠與螺母間摩擦系數(shù)的變化對升降機構(gòu)穩(wěn)定性的影響及控制措施。李梅等[12]利用Gallina二自由度模型對升降機在下降過程中發(fā)出的異響聲和振動進行研究，得到了摩擦系數(shù)、絲杠中徑和軸向載荷對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響的曲線，并提出了避免螺旋升降機自激振動的措施。目前對升降機運行穩(wěn)定性的研究側(cè)重于其自激振動現(xiàn)象，對其運行過程驅(qū)動性能的研究較為缺乏，如何減小運行過程所需驅(qū)動仍是一個亟待解決的問題。

本文以NVT-HG2000-V1型單晶爐驅(qū)動系統(tǒng)中的主爐室提升裝置為研究對象，建立了其動力學(xué)仿真模型，模擬了驅(qū)動系統(tǒng)的運行過程。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)對驅(qū)動力和驅(qū)動力矩大小的影響規(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，保證系統(tǒng)在適當?shù)闹圃斐杀鞠驴煽窟\行。進而為單晶爐驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改進、動力學(xué)設(shè)計等提供數(shù)據(jù)參考與模型基礎(chǔ)。

1 驅(qū)動系統(tǒng)仿真模型建立

ADAMS是使用廣泛的虛擬樣機軟件，用于機械系統(tǒng)的運動學(xué)及動力學(xué)分析[13]。其具有強大的機械系統(tǒng)動力學(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，實現(xiàn)單晶爐驅(qū)動系統(tǒng)的三維建模與虛擬裝配。在此基礎(chǔ)上，進一步運用ADAMS建立單晶爐驅(qū)動系統(tǒng)的多體動力學(xué)模型，定義相關(guān)材料屬性，施加約束和載荷，對其進行運動學(xué)、動力學(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)對驅(qū)動系統(tǒng)運行過程中驅(qū)動力及驅(qū)動力矩大小的影響規(guī)律。

1.1 驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)成

單晶爐機械結(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)動系統(tǒng)為例進行仿真分析，系統(tǒng)主要零部件包括旋轉(zhuǎn)臂、升降機、升降螺母、升降座、2個銅套、升降軸、推力軸承、2個銅墊、導(dǎo)向座、定位塊、2個滑塊、旋轉(zhuǎn)臂驅(qū)動機構(gòu)以及升降軸與旋轉(zhuǎn)臂連接用的銷釘。由升降機驅(qū)動升降座產(chǎn)生上下運動，從動臂帶動升降軸及旋轉(zhuǎn)臂產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)主爐體的提升與旋轉(zhuǎn)運動，如圖1(b)所示。

圖1 單晶爐及主爐室驅(qū)動系統(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)對驅(qū)動性能的影響，結(jié)合主爐絲杠型號梯形螺紋D46×8，建立單晶爐驅(qū)動系統(tǒng)絲杠與螺母配合的精細模型如圖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)動系統(tǒng)相關(guān)零件的配合和約束關(guān)系，單晶爐驅(qū)動系統(tǒng)中的其他零部件做整體綁定。主爐室驅(qū)動系統(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)臂單獨為一個部分，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，上下滑塊相對于導(dǎo)軌添加移動副約束(translational)。通過在升降螺母和從動臂上施加驅(qū)動力以實現(xiàn)主爐的提升與旋轉(zhuǎn)，升降螺母相對于升降機添加移動副約束，從動臂相對于升降機添加轉(zhuǎn)動副約束(cylindrical)。單晶爐主爐室驅(qū)動系統(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載1.3 t，方向豎直向下，仿真過程考慮重力影響。

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

單晶爐主爐室驅(qū)動系統(tǒng)運動分為兩個階段，首先由升降螺母驅(qū)動整體做提升運動，達到要求高度后停止運動，隨后從動臂驅(qū)動升降軸及旋轉(zhuǎn)臂做旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)臂達到要求角度后停止運動。根據(jù)實際工作工況，主爐提升裝置負載1.3 t，提升速度為3.75 mm/s，提升行程為1 500 mm，旋轉(zhuǎn)時角速度為3.18(°)/s，旋轉(zhuǎn)角度為98.5°。

提升螺母驅(qū)動運動規(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)動螺母速度變化曲線如圖3所示。仿真絲杠螺母運動過程時，驅(qū)動螺母以3.75 mm/s的速度勻速向上運動，運動時間取50 s。

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

從動臂驅(qū)動規(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時所有運動結(jié)束。從動臂角速度變化曲線如圖4所示。

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

2 配合間隙對單晶爐驅(qū)動系統(tǒng)影響分析

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

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

旋轉(zhuǎn)時從動臂所需驅(qū)動力矩變化如圖6所示，并將數(shù)據(jù)進行擬合處理。從動臂的旋轉(zhuǎn)發(fā)生在395～430 s，當從動臂開始轉(zhuǎn)動時，驅(qū)動力矩在503 N·m到576 N·m范圍內(nèi)波動。

圖6 旋轉(zhuǎn)段驅(qū)動力矩隨時間變化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中對銅套與升降軸模型進行處理，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所需驅(qū)動的變化情況。圖7是銅套與升降軸在不同公差間隙時對應(yīng)平均驅(qū)動力矩的變化，表2為銅套與升降軸在不同配合間隙時驅(qū)動系統(tǒng)運動所需驅(qū)動力及驅(qū)動力矩。

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)動系統(tǒng)提升及旋轉(zhuǎn)過程中的活動量增大，局部接觸面積減小，驅(qū)動系統(tǒng)運動阻力減小，驅(qū)動系統(tǒng)運動所需驅(qū)動力矩呈下降趨勢。當配合間隙達到0.071 mm時，驅(qū)動系統(tǒng)運動所需力矩最小，在達到技術(shù)要求的最大配合間隙0.091 mm時，驅(qū)動力矩大小保持基本穩(wěn)定。

3 絲杠參數(shù)對單晶爐驅(qū)動系統(tǒng)影響分析

3.1 絲杠傾斜度影響分析

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

圖8 驅(qū)動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，螺栓擰緊過程中的扭矩與預(yù)緊力關(guān)系也隨之發(fā)生變化[15]?？紤]不同螺紋螺距對單晶爐主爐室驅(qū)動部件運動所需力矩的影響，避免螺紋數(shù)量對仿真結(jié)果的影響，保持螺母高度為一個螺紋高度，絲杠螺母螺距分別為6 mm、7 mm、8 mm、9 mm以及12 mm時驅(qū)動系統(tǒng)提升所需驅(qū)動力矩如圖9所示。根據(jù)仿真結(jié)果，隨螺距增大，驅(qū)動螺母提升所需驅(qū)動力矩整體呈上升趨勢，在螺紋螺距由8 mm增大到9 mm時，運動所需力矩有小幅降低。為降低驅(qū)動力矩，應(yīng)選用螺距較小的絲杠螺母。

圖9 驅(qū)動力矩隨螺距變化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)對螺母提升驅(qū)動力矩的影響。絲杠螺母間摩擦系數(shù)為0.08、0.10、0.12、0.15以及0.20時提升所需驅(qū)動力矩如圖10所示。隨摩擦系數(shù)增大，螺紋間的摩擦力增大，驅(qū)動系統(tǒng)運動阻力增大，所需驅(qū)動力矩呈線性增長。因此在絲杠與螺母的選型上應(yīng)適當減小摩擦系數(shù)，也可以考慮采用適當?shù)臐櫥胧?，保證螺紋接觸面處于潤滑狀態(tài)。

圖10 驅(qū)動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)動系統(tǒng)為對象，建立了其動力學(xué)仿真模型，對其運行過程進行仿真模擬。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)對單晶爐主爐室驅(qū)動系統(tǒng)運動過程中所需驅(qū)動力及驅(qū)動力矩的影響，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)動系統(tǒng)運行所需驅(qū)動力矩呈降低趨勢，配合間隙達到0.071 mm時，驅(qū)動系統(tǒng)運行所需驅(qū)動力矩明顯降低，配合間隙達到技術(shù)要求的最大值0.091 mm時，驅(qū)動力矩保持基本穩(wěn)定。

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

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

(4)隨螺紋間摩擦系數(shù)增大，單晶爐驅(qū)動系統(tǒng)運動所需力矩呈線性增長，摩擦系數(shù)過大會導(dǎo)致單晶爐驅(qū)動系統(tǒng)運行過程中阻力大幅增加，可適當增加潤滑，提高運行可靠性。