六温区红外聚焦热机械疲劳测试炉

六温区红外聚焦热机械疲劳测试炉用于高温环境模拟与控制，由高温加热系统、高温控制系统、循环水冷、压缩空气冷却及试验机交互接口组成。系统可接收外部加载系统状态或力信号，在温度循环与机械循环共同作用下完成材料热机械疲劳试验。

一、设备简介与项目任务

设备服务于圆柱类或棒状试样工作段的快速、可重复高温加载。炉体采用六边形组合式两半对开结构，通过移动滑台、导向机构和高度调节结构与材料试验机配合。闭合后，六组聚焦模块从六个周向方向对试样进行360°包围式加热；打开后，试样工作段快速暴露，便于装夹、观察、引伸计布置、维护和强制冷却。

设计目标是在不小于Φ50 mm×200 mm的目标范围内建立轴向连续、周向可修正的高温区，最高温度达到1300℃。六个方向分别测温、分别调功，可同步运行，也可针对表面吸收率、夹具散热及测点差异进行单区补偿，并与外部机械加载系统协同完成升温、保温、加载、卸载和冷却循环。

图1 六温区红外聚焦热机械疲劳测试炉整机参考：包含对开炉体、移动滑台、中心调节框架及独立控制柜。

二、总体技术方案与系统组成

整套系统由八类功能模块组成，各模块围绕“快速聚焦加热—六区闭环—机械加载同步—快速开炉冷却”组织：

1. 炉体与支撑：六边形组合式两半对开炉体、水平导向开合机构、移动支撑框架及三向中心调节结构。
2. 聚焦加热：H1～H6共6套楔形线聚焦模块，每套由短波红外石英灯、开口式椭圆柱反射槽、水冷金属背板、陶瓷绝缘件和焦点调节结构组成。
3. 温度测量：T1～T6共6路S型热电偶测温回路，并预留红外测温或校准测温接口。
4. 闭环控制：PLC、触摸屏、6路PID运算和6路可控硅软启动/功率调节。
5. 循环水冷：覆盖反射槽背板、灯管冷端、结合面高热流区及必要观察接口，并监测分支流量与出水温度。
6. 样件冷却：PLC控制压缩空气电磁阀和喷嘴，对试样工作段进行强制冷却。
7. 试验机接口：上下加载杆开口、中心定位、状态交互、同步触发及安全联锁。
8. 数据记录：记录温度曲线、功率输出、报警、联锁、炉体开合和试验事件。

三、开口式椭圆柱反射槽线聚焦原理

图2：楔形模块开口式椭圆柱反射槽线聚焦原理

单套加热模块采用沿试样轴向延伸的开口式椭圆柱反射槽。短波石英灯安装在第一焦线F1附近，反射槽保留灯管外侧及上下两侧有效椭圆弧面，开口朝向炉膛中心。试样目标表面位于第二焦线F2附近，灯管直射辐射与椭圆弧面反射辐射在目标区叠加，沿轴向形成连续高能量带。

反射弧面由水冷金属背板保持轮廓和温度稳定，内表面采用适合短波近红外的高反射处理。与大空间保温炉膛相比，线聚焦结构减少非目标辐射和保温层蓄热，有利于提高升温、降功率和热循环响应速度。

四、六组环向布置、对开分组与温区关系

图3：六套楔形模块六瓣环向布置及两半对开分组

6套楔形模块围绕试样轴线环向排列，外侧边框组合成近正六边形，内侧反射槽形成六瓣结构。两半炉体闭合后，定位结构保证模块光轴、第二焦线和试样表面的相对位置；开启后灯管、反射槽和水冷背板整体退开，不占用装夹和冷却空间。

每套模块可独立调节径向位置、俯仰角和离焦量，适配不同直径试样。六区可采用相同目标温度，也可设置不同功率上限或目标温度，以补偿反射效率、表面状态、夹具散热和热电偶安装差异，亦可形成预定周向热梯度。六个负载按每相两个温区的原则均衡分配到三相电源，并采用软启动抑制灯管冷态冲击电流。

五、完整主要技术参数

六、炉体、开合机构与试验机接口

炉体外壳采用304不锈钢钣金和焊接结构，六套楔形模块组合成近正六边形，并沿竖直中心面分为左右两个半炉体。两半炉体安装在直线导向机构上，可沿相反方向水平开启和闭合。闭合端设置锥形定位销、机械止挡与锁紧件，保证多次开合后的炉膛中心、模块光轴和焦线位置重复。

炉体上下端预留加载杆开口，并配置可更换隔热遮光环，以适配不同加载杆、夹具和引伸计。整炉安装在带滑台、调平脚和机械限位的支撑框架上，可沿试验机方向整体推入或退出；高度、横向和前后方向均设置中心调整结构，使试样轴线与炉体基准轴线重合。电缆、水管和气管使用拖链或柔性管束管理，并为开合行程预留弯曲半径。

七、线聚焦模块、焦点调节与标定

每个独立楔形模块包含轴向短波红外石英灯、开口式椭圆柱反射槽、水冷背板、陶瓷绝缘支座、耐高温引线、冷端保护和水冷接口。灯管发光轴线与试样轴线平行，电极及密封冷端布置于有效加热区外。模块采用独立可拆设计，更换灯管、反射槽或绝缘件时无需拆卸整炉。

每套模块设置径向微调、角度校正和锁紧结构。装配时使用与验收试样同直径的标定芯轴，在受限低功率条件下，通过热像或温敏标定介质确定第二焦线位置并锁紧。更换直径差异较大的试样时需重新确认焦线；若需降低局部峰值，可将第二焦线适度移出表面形成受控离焦。

八、反射槽水冷、隔热与遮光

开口式椭圆反射面背部设置连续水道，六套模块采用并联支路供水，各支路配置流量平衡、关键流量检测和出水温度监测。水冷背板外侧设置低蓄热隔热层，模块之间及两半炉体结合面配置耐高温遮光隔板，减少相邻温区辐射串扰及炉外短波泄漏。反射面应避免手触、粉尘与冷凝水污染，并预留可拆清洁通道。

九、六温区闭环控制与三相电气配置

图4：六温区独立闭环控制拓扑

每温区对应1支S型热电偶、1路隔离采集、1路PID运算和1路可控硅调功。控制器比较T1～T6实测温度与设定曲线，分别调节H1～H6。六路既可独立运行，也可由主控统一施加升温斜率、功率上限、温差约束和同步触发。

36 kW负载按三相平衡原则分配，每相承担两个温区的等效负载。主回路设置总断路器、分区断路器、快速熔断器、可控硅散热与温度保护、漏电和接地保护。控制电源、测温信号、执行信号和动力电缆分层布置，热电偶补偿导线与强电分槽敷设并单端屏蔽接地。

控制软件功能

• 实时显示T1～T6温度、设定值、输出功率、升降温阶段和设备状态；
• 支持单区、分组、六区同步和多段程序曲线；
• 支持PID整定、功率上限、升温斜率、区间温差和离焦补偿参数；
• 记录温度、功率、报警、联锁、炉体开合及试验机同步事件并导出；
• 预留试验机或上位机启停、同步触发、加载状态和故障状态接口。

十、试样压缩空气冷却

试样降温采用压缩空气吹气冷却。PLC按照程序控制电磁阀开启时间、吹气顺序和持续时间，并与炉体开启动作、机械加载状态和温度条件联锁。喷嘴位置可调，使试样工作段尽量均匀冷却，并避免直接冲击热电偶和夹具。目标最大降温速率50℃/s需按确认的气源、喷嘴、试样和夹具工况验收。

十一、安全保护、开合联锁与短波辐射防护

• 温度侧：超温、温差超限、热电偶断线和采集异常保护；
• 电气侧：灯管过流、短路、漏电、缺相和可控硅过热保护；
• 公用工程：总水路及关键支路缺水/低流量、出水超温和供气不足保护；
• 运动与协同：炉体闭合、锁紧、滑台限位、试验机状态及急停联锁；
• 开炉顺序：执行开炉前自动将全部加热输出置零并确认功率回路封锁；
• 故障管理：声光报警、事件记录和断电后的安全复位。

短波石英灯工作时具有强可见光和近红外辐射。两半炉体结合面、加载杆开口及观察位置设置遮光结构；正常加热仅允许在炉体闭合并确认联锁后进行。调焦和维护使用受限低功率模式，人员不得直视灯丝或焦区，并应依据实际波段和辐射水平配置眼面部防护。

十二、完整典型试验流程

1. 将炉体整体退出加载区并打开左右半炉体，完成试样、夹具、热电偶和机械加载系统安装。
2. 按照试样直径检查六套模块的焦线标定状态，确认加载杆、引伸计与遮光件无干涉。
3. 检查循环水、压缩空气、电源、急停、炉体开合位置和试验机状态。
4. 将炉体推入加载区并完成对中，闭合、定位和锁紧两半炉体。
5. 在触摸屏设置六区目标温度、升温速率、功率上限、保温时间、加载同步点和冷却程序。
6. 启动循环水冷，联锁确认后投入六区加热，系统自动执行分区温差补偿。
7. 达到规定温度和稳定条件后，与材料试验机同步执行加载、保温、卸载及热循环。
8. 进入冷却阶段时先封锁加热输出，再按程序开启炉体并启动压缩空气冷却。
9. 试验结束后导出温度、功率、报警、联锁和同步事件记录。

十三、项目总结

本方案以6套额定6 kW的楔形线聚焦模块拼成六瓣、近正六边形的两半对开炉膛，总功率36 kW。各模块以水冷开口式椭圆柱反射槽将短波石英灯辐射集中至试样轴向工作段，并通过焦点调节、六区独立测控、三相平衡、水冷联锁和强制气冷满足快速温度循环需求。

工程价值：该结构兼顾单位面积辐射功率、热循环响应、周向温差修正、试验机装夹空间和维护便利性，适用于航空航天、能源动力、高温合金、涂层与复合材料的高温疲劳和热机械疲劳研究。