環保纖維型鉆機剎車塊制備及性能評價*

邱崇粵，林世明，江 毅，唐 琳

（1.中海油能源發展股份有限公司 工程技術湛江分公司，廣東 湛江 524057；2.中海油常州涂料化工研究院有限公司 上海海鎧防腐工程技術分公司，廣東 深圳 518052；3.中海油服油田化學事業部湛江作業公司，廣東 湛江 524057；4.中海油服鉆井事業部湛江作業公司，廣東 湛江524057）

傳統的石棉型剎車塊由于具有良好的耐磨性和低成本，在石油鉆井機內得到廣泛使用。但剎車塊在工作時表面溫度較高，高溫下易產生有毒致癌分解物，且石棉易脫落，造成使用壽命短，影響海洋石油狹窄空間鉆井作業安全及作業效率。因此，環保、耐用的剎車塊替代材料的研發尤為重要。從鉆井工程操作及設備優化技術角度上看，王乙全[1]曾提出通過對鉆井設備進行定期維護，以此降低石棉型剎車片的磨損和致癌物質的析出量；衛帥兵[2]則對剎車系統的種類進行分析，提出根據鉆井地層的情況，選擇最適合的剎車及輔助剎車系統，以此降低剎車系統的壓力，減少石棉物質的析出，降低石棉對環境的污染；毛建偉[3]則研究出了一種石油鉆井獨立機泵組剎車裝置，降低石油鉆井過程中的剎車壓力，以此減少石棉化合物的析出。以上學者的研究為石油鉆井工程鉆機剎車系統的保護提供了一些方法。本文則嘗試從使用化學材料優化的角度，參考部分學者的方法[4]，采用部分玻璃纖維材料替代石油鉆井剎車塊中的石棉材料的解決方案，并驗證其性能。

1 實驗部分

1.1 材料與設備

玻璃纖維（I 級）；酚醛樹脂（AR）；復合纖維（I級）；石棉（I 級）；鋼棉（I 級）；高鋁礬土（I 級）；橡膠粉（I 級）；鉻礦粉（I 級）；重晶石粉（I 級）；長石粉（I級）；石墨（I 級）；炭黑（I 級）。

EYH-100 型二維混料機；Y32 型剎車塊自動化壓制機；DDM2910 型固體密度測定儀；JBDW-300Y型微機擺錘沖擊試驗機；SU5000 型 掃描電鏡；MPX-2000 型摩擦磨損試驗機。

1.2 實驗方法

（1）提前對直徑小于0.05mm 的玻璃纖維、復合纖維進行短切處理，使其長度維持在6～8mm 之間，避免因纖維太長造成結團現象而影響其強度。

（2）按照比例將所有填料在混料機內進行混合，攪拌時間為30min。

（3）混合均勻物料后，放入剎車塊自動化壓制機內熱壓，加熱至300℃后保溫穩壓固化，壓制所需的穩壓值和時間分別為35MPa 和3h，壓制過程中需要多次排氣防止剎車塊產生氣泡孔洞。

（4）壓制結束后取出剎車塊，然后修理毛刺，以傳統石棉型剎車塊為對比進行相關檢測。

1.3 性能測試

（1）通過固體密度測定儀進行材料密度測試。

（2）依據GB/T 19748-2019《金屬材料 夏比V型缺口擺錘沖擊試驗 儀器化試驗方法》進行沖擊強度測試。

（3）通過掃描電子顯微鏡觀察材料微觀形貌。

（4）通過摩擦磨損試驗機進行摩擦性能測試。

2 結果與討論

2.1 強度性能測試

2.1.1 密度及沖擊性能測試 依據SY/T 5023-2012《石油鉆機用剎車塊》要求進行密度和沖擊強度的測試，結果見表1、2。

表1 密度測試結果（g·cm-3）Tab.1 Density test results（g·cm-3）

由表1 可見，兩種剎車塊的密度較為相似，均符合SY/T 5023-2012《石油鉆機用剎車塊》中的1.80～2.35g·cm-3范圍內的要求。

由表2 可見，兩種剎車塊沖擊性能良好，均符合SY/T 5023-2012《石油鉆機用剎車塊》中大于等于0.3J·cm-2的要求，但纖維型剎車塊性能較優。主要原因在于其含有抗拉性能優越、強度較高的玻璃纖維，在受到外力沖擊時，玻璃纖維吸收沖擊能量更有優勢，因而在沖擊性能方面，纖維型剎車塊具備替代石棉型剎車塊的能力。

表2 沖擊強度測試結果（J·cm-2）Tab.2 Impact strength test results（J·cm-2）

2.1.2 沖擊斷口微觀形貌分析 圖1 為沖擊斷口微觀形貌。

圖1 沖擊斷面微觀形貌Fig.1 Micro-topography of impact section

由圖1 可見，在兩種剎車塊的斷口中分別可觀察到較明顯的纖維和石棉，說明在剎車塊受到沖擊時，纖維和石棉的高強度性能均發揮了較為重要的作用。剎車塊通過本體黏結劑酚醛樹脂與橡膠提升自身的韌性。由于剎車塊是通過摩擦制動，制動過程中高溫會促進本體熱降解，影響摩擦系數[5，6]。因此，需要在剎車塊本體中添加高強度材料抵消熱降解造成的性能失效問題。而纖維型剎車塊在纖維混雜效應的作用下，機械強度和摩擦系數均得到明顯提升，克服了剎車塊制動產生的負面影響，耐磨性也得到明顯提升。

2.2 摩擦性能分析

2.2.1 載荷對摩擦系數的影響 圖2、3 分別為200r·min-1和400r·min-1摩擦轉速條件下，載荷對剎車塊摩擦系數的影響。

圖2 200r·min-1 下載荷關系對摩擦系數的影響Fig.2 Effect of load on friction coefficient at 200r·min-1

由圖2 可見，纖維型剎車塊和石棉型剎車塊穩定摩擦系數分別為0.42 和0.44。隨載荷的增加，兩種剎車塊的摩擦系數均有一定增加。這是因為接觸面摩擦力與載荷成正比，當摩擦力較高時，摩擦面出現變形，增加了摩擦面粗糙度。雖然摩擦系數受載荷增加的影響會有所增加，但整體摩擦系數的差異較小，因此，可認為兩種剎車塊均具備較好的摩擦穩定性[7]。

由圖3 可見，纖維型剎車塊和石棉型剎車塊穩定摩擦系數分別為0.41 和0.43。在載荷相同時，若摩擦速度越高，摩擦系數則越低，但整體差距并不明顯，因為摩擦滑動時間和滑動距離以及摩擦副接觸面表面溫度均隨摩擦速度的增加而增加，影響了剎車塊本體強度，因此，在相同載荷條件下，若增加摩擦速度，摩擦系數則反而會降低[8，9]。

圖3 400r·min-1 下載荷對摩擦系數的影響Fig.3 Effect of load on friction coefficient at 400r·min-1

由圖2、3 對比可知，在摩擦初期階段，摩擦系數快速的上升，之后逐漸呈現出趨于平穩的狀態，摩擦系數曲線僅在小范圍內進行波動，摩擦系數基本穩定。因為在剎車塊的實際應用中，副接觸面并非完全平整，剛開始制動時由于摩擦面局部接觸不充分導致摩擦系數表現較低。在制動后期摩擦面得到充分接觸后，摩擦系數表現基本穩定，所以后期制動狀態下的摩擦系數波動值為真實摩擦系數值。綜上，兩者的摩擦系數均符合SY/T 5023-2012《石油鉆機用剎車塊》中200℃條件下摩擦系數在0.38～0.57 范圍內的要求。

2.2.2 載荷對磨損率的影響 圖4 為剎車塊磨損率與載荷關系。

圖4 載荷對剎車塊摩損率的影響Fig.4 Effect of load on wear rate of brake blocks

由圖4 可見，在相同的摩擦速度條件下，磨損率與載荷成正比。在相同的載荷條件下，摩擦速度不影響剎車塊磨損率。在130～170N 載荷范圍內，纖維型和石棉型剎車塊磨損率范圍分別為（0.141～0.247）×10-7cm3·（N·m）-1和（0.139～0.242）×10-7cm3·（N·m）-1，兩種剎車塊磨損程度基本一致，符合SY/T 5023-2012 中200℃條件下小于等于0.70×10-7cm3·（N·m）-1的要求。

2.2.3 磨損表面微觀形貌分析 圖5 為磨損表面微觀形貌。

圖5 磨損表面微觀形貌Fig.5 Micromorphology of worn surface

由圖5 可見，纖維型剎車塊磨損后，有裂紋和塑性變形出現，表面粗糙。而石棉型剎車塊表面有較淺犁溝和微裂紋出現。這是因為在剎車塊制動時，剎車塊與摩擦副材料快速往復摩擦，摩擦接觸面不穩定，出現形變和畸變。同時剎車塊磨損面在摩擦過程中出現極高的應力，產生局部塑性效果，這將增加摩擦表面與對偶摩擦表面的焊合點，加強材料的黏合性，形成相對穩定的化合物。在摩擦時，焊合點被破壞，化合物形成黏著物在摩擦接觸表面附著，與對磨面發生黏附磨損。摩擦過程中會產生高溫，剎車塊材料充分與空氣中的氧氣接觸，使材料表面產生氧化膜并發生氧化磨損，磨損量隨之增加會降低剎車塊摩擦系數。而石棉剎車塊裂紋較小的原因在于石棉與本體黏結劑、填料結合更為緊密，因此，石棉型剎車塊產生的裂紋相對較小。

2.3 有限元分析

2.3.1 剎車塊應力場的變化 根據載荷對摩擦系數的影響測試數據結果，在摩擦轉速為200r·min-1時，纖維型剎車塊和石棉型剎車塊穩定摩擦系數分別為0.42 和0.44，按照以上兩種不同材質剎車塊測試的穩定摩擦系數取值，對剎車塊進行有限元分析，結果見圖6。

圖6 剎車塊應力有限元分析Fig.6 Stress finite element andysis of brake block

由圖6 可見，纖維型剎車塊和石棉型剎車塊與剎車盤間最大摩擦應力分別為3.69MPa 和1.08MPa。這是因為在制動初期，石棉型剎車塊與剎車盤接觸面不平整度相對較高，接觸面較小，但隨著制動時間增加可以克服該問題。而纖維型剎車塊表面較平整，制動初期就能完全接觸，剎車塊啟動瞬間磨損量減少，制動效果更優，剎車塊材料使用壽命更長。在制動后期，由于剎車塊表面始終處于高溫狀態，石棉型剎車塊表面有含石棉的化合物脫落，可能對環境造成污染，影響作業人員身體健康，因此，纖維型剎車塊優勢更為明顯。

2.3.2 剎車塊溫度場的變化 圖7 為剎車塊溫度場變化。

圖7 剎車塊溫度有限元分析Fig.7 Temperature finite element analysis of brake block

由圖7 可見，在制動初期，纖維型剎車塊和石棉型剎車塊溫度分別上升至44℃和45.5℃。在制動后期，對磨面溫度分別上升至201.1℃和210.8℃，石棉型剎車塊高溫區域溫度高于纖維型剎車塊，整體溫度分布不均，接觸表面磨損嚴重。這是因為摩擦熱傳遞性能較差，接觸區域溫度會快速上升。而纖維型剎車塊內部溫度分布的較為均勻，在制動后期石棉型剎車塊局部溫度比纖維型剎車塊略高，因此，纖維型剎車塊導熱性和熱傳遞性能更好，可以有效對外界傳遞溫度，制動效果也更好。

3 結論

本文所制備的纖維型剎車塊有良好的綜合性能，具備更好的制動效果和更長使用壽命，同時解決了采用石棉產生化合物脫落導致性能變差以及影響作業人員健康的問題。

（1）纖維型剎車塊和石棉型剎車塊的密度分別為2.26g·cm-3和2.29g·cm-3，沖擊強度分別為1.53J·cm-2和1.46J·cm-2，兩者性能相似，均符合SY/T 5023-2012《石油鉆機用剎車塊》要求，但玻璃纖維吸收沖擊能量的效果略優。

（2）載荷對兩種剎車塊的摩擦系數和磨損率的影響情況基本相似，且摩擦系數和磨損率幾乎不受摩擦速度的影響。經測試，纖維型剎車塊和石棉型剎車塊穩定摩擦系數分別為0.42 和0.44。在130～170N 載荷范圍內，纖維型剎車塊與石棉型剎車塊磨損率范圍分別為（0.141～0.247）×10-7cm3·（N·m）-1和（0.139～0.242）×10-7cm3·（N·m）-1，均符合SY/T 5023-2012《石油鉆機用剎車塊》要求，兩種剎車塊摩擦系數和磨損率基本一致。

（3）纖維型剎車塊受到磨損后，出現了明顯的裂紋和塑性形變，表面較為粗糙，而石棉型剎車塊表面僅出現較淺的犁溝和微裂紋，因此，石棉型剎車塊磨損程度相對較小。石棉型剎車塊和纖維型剎車塊與剎車盤間最大摩擦應力分別為3.69MPa 和1.08MPa，纖維型剎車塊相比石棉型剎車塊的內部溫度分布更為均勻，制動效果更優。