随着世界各国能源从传统的油水井向天然气、页岩气井等采掘的战略转移,全球的气井数量不断增加,气井装备研发和技术储备随之成为新的需求。为了确保气井带压作业的安全可靠,井口带压装备的密封成为关键技术。与油水井不同,气井环空密封胶芯与管柱接触面干燥,除了岩屑磨粒和腐蚀性气体对胶芯的磨损,摩擦热效应同样不可忽视。管柱与胶芯的滑动摩擦过程导致胶芯表面摩擦热大量聚集,温度急剧上升,使胶芯物理性能发生变化,加速磨损甚至失效破坏,大大降低了胶芯的密封性能。因此,本文主要建立管柱与胶芯的刚-柔接触摩擦副,通过对摩擦副的热-力耦合分析,研究干摩擦条件下摩擦热效应对丁腈橡胶磨损特性的影响。本文首先基于分形理论重构胶芯粗糙表面几何模型,建立金属-橡胶刚柔接触界面回转模型,并进行热-力耦合有限元分析得到橡胶粗糙表面在不同载荷、转速、时间历程的温度场和接触应力分布,分析摩擦热效应对橡胶微凸体上接触应力的影响。然后搭建金属-橡胶接触界面摩擦试验台测试不同工况下的橡胶温度场分布,再通过扫描电镜观察不同尺度下的橡胶表面磨损情况。研究发现:丁腈橡胶表面温度场分布呈现出不均匀性的特点,摩擦生热现象只发生在金属-橡胶接触界面的微凸体接触区域,最高温度分布在粗糙表面最高微凸体处。低载荷下橡胶表面发生轻微的区域性磨损;高载荷下橡胶的磨损主要表现为粘着磨损和磨粒磨损;低速转动时橡胶会由于其粘弹性性能随着接触点的变化发生回弹,磨损程度较小;高速转动时橡胶的磨损形式主要有疲劳磨损和由于摩擦热导致的摩擦化学反应造成的热降解而产生的破坏。本文通过建立金属-橡胶刚柔接触摩擦模型,从微观和宏观两个尺度分析干摩擦条件下不同转速和载荷对橡胶表面的温升规律和磨损形式,对探究摩擦热效应对密封胶芯磨损的影响、石油天然气井防喷器胶芯的设计和使用提供了理论依据。