石油钻井刹车系统在工作过程中需要频繁进行整体系统制动,制动时产生的能量迅速转化为热能,导致刹车块表面温度迅速升高。所以,刹车块材料的抗摩擦磨损性和抗热变衰退性能直接影响到刹车系统工作的稳定性和安全性。目前,石油钻井刹车系统以盘式刹车系统为主,在石油钻井深井作业中,盘式刹车系统的制动时间较长,因而,摩擦接触表面温度更高,对刹车块材料的性能也要求更高。传统石油钻井刹车块中,均含有石棉,石棉型摩擦材料以其稳定的摩擦因数和良好的耐磨性、低成本以及不易损伤对偶材料等优点,而被广泛应用。但是,在使用过程中,石棉及其高温分解物具有强烈的致癌作用,所以含石棉的摩擦制品已被列入为淘汰产品。因此,研究开发可以替代石棉的新型耐磨和具有良好抗热衰性摩擦制动材料是当前摩擦材料的发展方向,也是实现石油开采安全和稳定的进一步保障。本文以一定量的玻璃纤维代替石棉,形成以酚醛树脂基耐磨填料为主要成分的无石棉混杂纤维型摩擦复合材料,对比分析在其它成分相同条件下,含玻璃纤维和含石棉增强材料刹车块的摩擦磨损性能。并采用ANAYS软件针对这两种材料进行摩擦制动下的应力场和温度场模拟分析,探讨制动载荷、摩擦速度和时间等对温度场和应力场的影响,为玻璃纤维替代石棉提供理论和实验依据。结果表明:1、在130～170N载荷,200r/min～400r/min实验条件下,玻璃纤维型和石棉型两种材料的摩擦系数与载荷的变化趋势相同,随载荷增加,摩擦系数增大。但是,载荷一定时,摩擦系数随摩擦速度的变化不明显。玻璃纤维型材料的摩擦系数在0.33～0.40之间,石棉型材料摩擦系数在0.35～0.43之间。相比较,石棉型刹车块的摩擦系数稍高,变化范围更小。两种材料的摩擦系数相差很小,均符合摩擦制动材料的摩擦系数性能要求。2、两种摩擦材料的磨损率对比显示,摩擦速度一定时,随载荷的增大,磨损率增加。但是,载荷一定时,随摩擦速度的增加,磨损率与低速时基本一致。在本实验条件下,玻璃纤维型刹车块的磨损率在0.140～0.243x10^-7 mm³/m之间,石棉型刹车块的磨损率为0.138～0.242x10^-7 mm³/m之间。相比较,一定载荷和一定摩擦速度下,玻璃纤维型材料的磨损率稍高于石棉型材料,但是,相差非常小,磨损量在一个数量级上。3、在石油钻井刹车系统制动过程中,玻璃纤维型和石棉型两种摩擦材料都表现为摩擦表面应力随着制动时间的增加,应力值呈现增加趋势。开始阶段,接触摩擦表面应力变化不明显,并呈现不规则分布情况,随着摩擦时间增加,应力分布逐渐达到稳定状态,最大应力始终保持在制动盘和摩擦片的接触面处。玻璃纤维型刹车块瞬间最大应力值低于石棉型刹车块。4、摩擦制动时间越长,摩擦产生的温度越高。石棉型刹车块的温度始终高于玻璃纤维型刹车块。制动外载荷力为0.4MPa,制动速度为200r/min条件下,70秒时,玻璃纤维型刹车块的温度为57℃,石棉型刹车块的温度是75℃,温差达到了18℃,这是由于石棉的导热性差所导致的。5、温度场有限元分析显示,随着摩擦系数的增大,刹车块温度升高。玻璃纤维型刹车块摩擦系数提高0.035时,温度提高约10%,石棉型刹车块摩擦系数提高0.04时,温度提高约13.5%,温度与摩擦系数的变化成正比。玻璃纤维型刹车块具有更好的抗热衰性。6、综合实验及模拟分析结果,本文设计制备的无石棉混杂纤维型摩擦复合材料,具有良好的冲击性能和摩擦磨损性能和抗热衰性,其密度、冲击强度、摩擦系数和磨损量值均符合石油钻井刹车块的使用性能要求。