Анализ асбофрикционных материалов для лебёдок буровых установок и подъёмных агрегатов

      
 

Анализ асбофрикционных материалов для лебёдок 
буровых установок и подъёмных агрегатов 
 
Analysis of asbofrictional materials for drawworks of 
drilling rigs and lifting complex 
 
Юсубов Ф.Ф.  
Аспирант, Кафедра «Механика», Азербайджанский государственный университет нефти и 
промышленности  
e-mail : fikratyusub@gmail.com 
 
Yusubov F.F.  
Postgraduate student, Department of Mechanical Engineering, Azerbaijan State Oil and Industrial 
University 
e-mail: fikratyusub@gmail.com  
 
Аннотация 
В настоящей статье было произведено сравнительное исследование материалов (6КХ-1, 
6КХ-15, 6КВ-10, ФК-24А и т. д.) для тормозной системы буровых установок, используемых в 
промышленности. Приоритет отдавался материалам с высоким содержанием асбеста, т.к. 
данные материалы имеют большое значение в промышленности. При исследовании 
материалов асбофрикционных композиций рассматривалась зависимость процессов трения и 
изнашивания от температуры. Показатели коэффициента трения и износа были 
проанализированы на таких контртелах, как сталь и чугун. Для термических анализов 
использовалось устройство TGA(Q50).  На установке термогравиметрического анализатора 
под воздействием высоких температур были исследованы физико-механические изменения, 
начало процесса деструкции, а так же вычислено количество потери массы. Измерения 
проводились с частотой 100°C в минуту, с пределом температуры 1000°C. С помощью 
сканирующего электронного микроскопа были анализированы трещины, образовавшиеся на 
поверхности материала ретинакс, в результате трения. При различных тепловых режимах, в 
результате физико-механических экспериментов были исследованы механизмы изнашивания 
материалов; проверены их способности работать в тормозных системах буровых установок, в 
тяжелых условиях работы.  
Ключевые слова: буровая установка, тормозные колодки, асбест, коэффициент трения, 
трение и износ, микротрещины, разрушения, тепловой режим, термогравиметрический 
анализ. 
 

Abstract 
In this paper, industry used materials (6КХ-1, 6КХ-15, 6КВ-10, ФК-24А, etc.) for drilling rigs 
brake system were studied comparatively Priority was given to widely used industry materials with 
a high content of asbestos during the selection. The dependence of friction and wear processes on 
temperature was investiageted for asbofricion composition materials. The coefficients of friction 
and wear were analyzed on such counterparts as steel and cast iron. For thermal analyzes a TGA 
(Q50) was used. Temogravimetric analyzer was investigated physical and mechanical changes in 
high temperatures, the beginning of the destruction process, as well as the quantity of mass loss 
were calculated. The measurements were carried out at a frequency of 10°C per minute, with a 
temperature limit up to 1000°C. With the help of a scanning electron microscope, the cracks formed 
on the friction surface of the retinax material were analyzed. Wear mechanisms of materials for 

      
 

various heat regimes were studied by physical and mechanical experiments; their workability in 
braking systems of drilling rigs under intensive operation conditions were studied. 
Keywords: drilling rig, brake pads, asbestos, coefficient of friction, friction and wear, microcracks, 
thermal regimes, destruction, heating regimes, thermogravimetric analysis 
 
 

Важной частью многих современных машин и механизмов считаются узлы трения. Эти 

системы выполняют такие функции, как торможение, вращение крутящего момента от 
одного вала к другому или защита устройства от разрушения во время загрузки. 
Износостойкость фрикционных материалов обеспечивает надежность и эксплуатационную 
экономичность машин и механизмов. Без необеспеченной надежной работы тормозной 
системы в современном буровом оборудовании невозможно осуществлять безопасную 
эксплуатацию. По этой причине фрикционный материал должен характеризоваться высокой 
степенью износостойкости и стабильным коэффициентом трения для различных скоростей 
трения. Создание и выбор материала для пары трения возможно только на основе 
экстенсивного 
изучения 
процесса 
трения, 
физических 
и 
химических 
процессов, 

возникающих во время трения. Это может помочь в будущем подготовить новые 
безасбестовые фрикционные материалы. В этом исследовании сравнительно исследованы и 
изучены механизмы  изнашивания некоторых асбофрикционных материалов, используемых 
в промышленности. 

Фрикционные материалы предназначены для создания моментов высокого коэффициента 

трения в тормозах, муфтах и вариаторах. Однако высокое давление, скорость скольжения и 
резкое повышение температуры приводят к изнашиванию и распаду этих материалов. 
Высокие температуры вызывают изменение механических свойств материалов, структурной 
формации поверхностных слоев, образование оксидов и других химических связующих 
покрытий, диффузионных процессов и т.д. В результате характер взаимодействия 
материалов, другими словами, фрикционных свойств изменяется [1]. 

В качестве наполнителя асбест является одним из наиболее часто используемых 

материалов. Материалы, содержащие асбест, часто встречаются в промышленности. Уже 
известно, что наполнители оказывают больше влияние на трение и физико-механические 
свойства [2]. 

При подготовке асбофрикционных материалов используются технические этапы, такие 

как плетеные, тканые, прессовые, литьевые. Основой этих материалов является асбест; кроме 
того, используют синтетический каучук, фенолформальдегидную смолу, оксид цинка, 
свинец, бакелит и другие наполнители или модификаторы. Для повышения теплостойкости 
фрикционных материалов на основе асбеста его армируют  бронзой, красной медью, 
алюминиевой проволокой или опилками.  

Асбокаучук 
и 
асбосмоляные 
пластмассы 
считаются 
более 
подходящими 
для 

фрикционных композиционных материалов [3]. 

Из-за низкой температуры асбокаучуковых материалов температура поверхности может 

достигать высоких уровней. Так как каучук размягчается, температура чрезмерного 
коэффициента трения резко уменьшается. В то же время материал разрушается при 370-400° 
C [4]. 

Пластмассы и особенно каучуки имеют низкий модуль упругости, который может быть 

устойчивым к разрушению в начале деформации. Пластмассы и каучуки обладают 
способностью предотвращать жесткие частицы, которые влияют на коэффициент трения. 
Однако из-за низких температур горения в процессе трения стали и чугуна оба материала  
быстро генерируются в порошкoвую форму. В результате образования карбида на 
поверхности происходит затвердевание и упрочнение. Это приводит к повреждению и 
изнашиванию поверхности [5]. 
Асбестовые материалы, в отличие от асбокаучука, имеют синтетический агент, 
образующий смолу, а из-за их термоактивного характера изменение физических и 

      
 

механических свойств происходит в разных формах. По мере увеличения температуры 
коэффициент трения  проходит при минимуме 400° C и затем увеличивается с повышением 
температуры [6]. 
 

 
Рис. 1. Изменение коэффициента трения в зависимости от температуры фрикционного 
материала в условиях сухого трения с чугуном ЧНМХ 
 

 
Рис. 2. Изменение интенсивности износа в зависимости от температуры фрикционного 
материала в условиях сухого трения с чугуном ЧНМХ 
 
Недостатком неметаллических материалов является низкая теплопроводность. Поскольку 
все 
асбофрикционные 
материалы 
имеют 
почти 
одинаковую 
характеристику 
теплопроводности [7], наше исследование не придавало особого значения этому вопросу. 

Исследования показали, что при повышении температуры горячего прессования на основе 

бронзы (МК-3, МК-5) и железа (ФМК-8, ФМК-11 и т.д.) снижаются коэффициент трения и 
темп износа полученных материалов. В случае асбофрикционых материалов изменение 
вышеперечисленных параметров имеет другой характер. Таким образом, коэффициент 
трения этих материалов до определенной температуры возрастает, далее снижается в то 
время, как темп роста интенсивности износа остается неизменным [8]. Для всех тормозных 
устройств максимальный коэффициент трения требуется в конце цикла торможения.  

Ретинакс ФК-24А (марка Б) является одним из самых обращённых материалов в лебёдке 

буровой установки (ГОСТ 10851-94). Ретинакс был подготовлен на основе асбеста методом 

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000

Коэффициент трения, μ

Температура, 0C

6КВ‐10

ФК‐16Л

ФК‐24А

6КХ‐1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

100
200
300
400
500
600
700
800
900 1000 1100

J·10-3мг/кгм

Температура, 0C

6КВ‐10

ФК‐16Л

ФК‐24А

6КХ‐1

горячего прессования. Фенолформальдегидную смолу использовали в качестве связующего 
компонента, а барит в качестве наполнителя. Кроме того, небольшое количество латунной 
проволоки было добавлено в композицию, что, в свою очередь, способствует увеличению 
износостойкости материала в тяжелом режиме. Оно используется на буровых установках, 
самолетах и фрикционных узлах различных машин и механизмов. 

Термогравиметрический анализатор (TGA, Q50) использовался для изучения потери веса 

в зависимости от температуры материалов тормозных колодок. Образцы (34 мг)  помещали в 
кювету из платинового материала и обнуляли показатели весов  при каждом времени 
измерения. Во время испытания как инертный газ использовали чистый азот (60 мл / мин). 
Образцы нагревали до 10000C в течение 30 мин. при скорости возрастания температуры 
10°C/мин. Результаты показали, что все исследованные материалы за исключением 
Ретинакса не выдерживают температуру до 1000°С. Деструкция ретинакса постепенно 
увеличивалась, начиная с 400° С, при этом общая потеря составляла около 40%. Хотя 
некоторые из других материалов начали подвергаться  деструкции поздно, в конце анализа 
потеря веса была высокой (рис. 3). 

Рис. 3. Изменения в потере веса в зависимости от температуры в асбофрикционных 

материалов 

Различные компоненты фрикционных материалов при высоких температурах показывают 

разное влияние на коэффициент трения. 
Изучение различных асбофрикционных материалов показало, что для каждого из 
материалов существует критическая точка температуры, при которой коэффициент трения 
после этой температуры резко падает (табл. 1) . Это связано с теплопередачей материалов [9]. 
 
Таблица 1 
Температуры для некоторых фрикционных материалов при которых коэффициент 
трения резко уменьшается 
 
Материалы на каучуковой 
основе 
200–2200C 

Материалы на смоляной основе 
280–3000C 

Материалы на асбест основе 
4000C 

0

20

40

60

80

100

120

100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000

Вес (%)

Температура 0С

6КХ‐1

6КВ‐10

6КХ‐15

ФК‐24А

В исследованиях было подтверждено, что более высокие коэффициенты трения 

формируются за счёт железного сурика и барита [10]. Хотя асбест не обладает очень высокой 
теплопроводностью, присутствие барита влияет на  передачу тепла к  нижней поверхности и  
тем самым предотвращает падение коэффициента трения. При расчетах был определен 
коэффициент трения ретинакса  и стали, равный 0,3, а контактное давление принимается за 
1,2 МПа. Коэффициент трения материала ретинакса в зависимости от температуры стали 40 
ХН изменяется следующим образом: при низких температурах изменяются в пределах от 0,2 
до 0,360, а  при более высоких температурах от 0,2 до 0,35. С чугуном марки СЧ15 он может 
измениться от 0,29- 0,606 до 0,222-0,373 (рис. 4).  

Рис. 4. Изменение коэффициента трения в зависимости от температуры материала   

Ретинакса марка Б со сталью 40XH (красный) и СЧ15 (синий) чугун 

В тормозных системах бурового оборудования как контртело обычно используют 

материалы из износостойких марок сталь 60Q, 35XNL и 35XML. Эксперименты показали, 
что 
асбокаучуковые 
(6KX-15) 
тормозные 
колодки 
подходят 
к 
показанным  

вышеперечисленным материалам. Однако это соответствие очень мало (до 0,8 МПа) при 
контактном давлении и температуре нагрева (до 400° C) оно не может отвечать требованиям 
современных лебёдок ленточного тормоза. Поскольку по сравнению с другими материалами 
ретинакс обладает высокими фрикционными свойствами, он позволит увеличить тормозной 
момент, что в свою очередь  доводит торможение до 30-40 м/с со скоростью скольжения 
поверхности трения при 1000° С и выше. В этих условиях тормозные диски, изготовленные 
из традиционных марок стали, разрушаются от термической усталости. Энергия в процессе 
торможения движущейся колонны бурения и вращающейся массы лебёдок превращается в 
тепловую энергию. Чрезмерное тепло может повредить нормальному режиму работы 
тормоза, тем самым уменьшая долговечность материалов. Тепловое напряжение возникает в 
результате неравномерного распределения температуры в верхней части (перекресток) 
диска. 

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

100
200
300
400
500
600
700
800

Коэффициент трения, μ

Температура 0С

верхняя граница

нижняя граница

верхняя граница

нижняя граница

        а)  
       б)  
 

Рис. 5. Поверхность материала тормозной колодки из ретинакса для бурового 
оборудования, после эксплуатации, изображение получено с помощью СЭМ 

Многочисленные термические напряжения вызывают усталость, это, в свою очередь, 

создает микротрещины на поверхности колодки. Во время процессов нагрева и охлаждения 
периодическое сжатие и растягивание увеличивают на поверхности размер микротрещины 
до макротрещины. В большинстве случаев все это приводит к разрушению и разложению 
материальной поверхности (рис. 5.). Отсутствие достаточной устойчивости к термической 
усталости показывает, что тормозные диски и колодки, изготовленные из рассмотренных 
материалов, не отвечают требованиям фрикционной совместимости. 
Образование рабочей поверхности зависит от теплового состояния контактных 
материалов 
во 
время 
трения 
[11]. 
Нагревание 
рабочей 
поверхности 
позволяет 
функционировать работоспособному слою, что обеспечивает меньшую изнашиваемость (рис. 
2). Коэффициент трения материала ретинакса резко уменьшается при 180oC, но 
стабилизируется   в диапозоне от 200 до 350°C. При высоких температурах коэффициент 
трения начинает увеличиваться с уменьшением износостойкости при длительном нагреве 
(рис. 1). Коэффициент трения при температуре равной или чуть превышающей 500°С попрежнему сохраняет свою стабильность (от 0,27 до 0,3). Интенсивность износа материала не 
превышает 70 мг/кгм 10-3. Присутствие барита в составе материала (40%) способствует 
увеличению микротвердости поверхности, которой это помогает в сохранении механических 
свойств 
при 
температурах 
600–700°С. 
Поэтому, 
чтобы 
фрикционные 
материалы 
обеспечивали высокие и стабильные коэффициенты трения при разных скоростях и 
давлениях, промежуточный слой должен иметь  специальную гетерогенную структуру, 
которая может компенсировать повреждение верхнего слоя. 
 
Заключение 
В этой научной работе исследованные асбофрикционные материалы для узлов трения 
буровой установки показали, что влияние тепловых режимов на свойства трения и износ 
зависит от параметров технологии подготовки и структуры материала. Кроме того, 
исследование различных пар трения показало, что во всех случаях коэффициент трения 
первоначально уменьшался или резко увеличивался, но при увеличении температуры до 5006000C закономерно уменьшаются. Независимо от того используемого контртела – сталь или 
чугун, коэффициент трения материала ретинакс был выше. Колодки из материала ретинакса 
имеют устойчивую характеристику по сравнению с другими асбофрикционными 
материалами и более эффективен при бурении или других тяжелых условиях эксплуатации. 
 

      
 

Литература 
1. 
Машков Ю.К., Чемисенко О.В., Малий О.В. Разработка износостойких нанокомпозитов 
для экстремальных условий эксплуатации в металлополимерных трибосистемах// 
Журнал технической физики. – 2018. – Т. 88  (1). – С. 42-45. 
2. 
Ю Ван, Ли Линь. Оценка тормозных характеристик механической тормозной системы 
на нефтяной вышке // Журнал усовершенствованного механического проектирования, 
систем и производства, том. 7 (2). -JSME. 2013. – С. 195–204. 
3. 
Мясищев Д.Г. Повышение эффективности тормозных фрикционных механизмов 
транспортно-технологических машин, - Архангельск;  -САФУ, 2016. – 144 с. 
4. 
Роберто Коссио, Карло Албонико, Андреа Занелла, Сильвия Фратриго-Гарофало, Чиара 
Аватанео, 
Роберто 
Компаньони, 
Франческо 
Турчи. 
Инновационный 
автоматизированный анализ СЭМ-ЭРС для количественной оценки асбестового 
волокна//Таланта, том 190. 2018, с. 158-166. 
5. 
Gachot, A.Rosenkranz, S.M.Hsu, H.L.Costa. Критическая оценка текстурирования 
поверхности для улучшения трения и износа // Износ. т. 372-373. 2017, с. 21-41. 
6. 
Крагельский И.В., Виноградова И.Э. Коэффициенты трения, – М.: Машгиз, 1962. – 220 
с. 
7. 
Нарва B.K. Технология порошковых материалов и изделий. – М. : Изд. - Дом МИСиС. 
2012,  -171 с. 
8. 
Бычков С.А., Коцюба А.А. Состояние и проблемы применения новых конструкционных 
материалов в отечественных гражданских самолетах в современных условиях. 
Сообщение 1. Подходы к выбору металлических конструкционных материалов 
самолетов, Авиационно-космическая техника и технология. – 2016. – № 5 (132). – С. 4–
14. 
9. 
Ильющенко А.Ф. Современные разработки в области порошковой металлургии для 
машиностроения // Механика машин, механизмов и материалов, № 3 (20) 4 (21). 2012, с. 
113-120. 
10. 
Бану Сугозю, Бехет Даган. Влияние BaSO4 на трибологические свойства материалов 
тормозного трения // Международный журнал инновационных исследований в области 
науки, техники и технологии, Vol. 5. Специальный выпуск 12. 2016, с. 30-34. 
11. 
A.C. 
Drumeanu, 
R. 
G. 
Ripeanu. 
Конструкция 
металлических 
элементов 
триботермических ударных сухих пар трения // Журнал балканской трибологической 
ассоциации, т. 16, № 3, 2010, с.362-372. 
12. 
Вольченко Н.А., Вольченко Д.А., Криштопа С.И., Журавлев Д.Ю., Возный А.В. 
Работоспособность многопарных фрикционных узлов в ленточно-колодочном тормозе 
буровой лебедки// Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ. – 2012. – № 2(43). 
– С. 40-48.