刹车轮是石油钻井绞车刹车系统中的关键部件,主要完成控制大钩载荷的起升、下放、停止及大钩载荷下放速度的工作要求。刹车轮在一定的热载荷、机械冲击载荷、摩擦载荷的工况下进行工作,同时伴随有很大的扭矩,其最常见的失效形式有工作面磨损、工作面热疲劳龟裂、断裂等现象,因此安全性较好、使用周期较长的刹车轮一般要求其表面具有良好的耐磨性、心部具有足够的韧性。普通调质处理和淬火工艺通常不能满足刹车轮表面和心部的性能要求,因此本文采用调质处理后进行感应加热表面淬火的先进工艺,通过温度场、残余应力场仿真和实验研究,从显微组织、硬度分布、表面残余应力和摩擦磨损性能方面进行了详细分析,提高了其耐磨性和使用寿命。由于感应加热淬火过程是一个复杂的非线性电-磁-热多物理场耦合过程,测量感应加热淬火的温度场和残余应力分布较为复杂和困难,而且一般只能测量有限点的数据,为了获得相关变量在整个区域内完整而详尽的数据,本文利用ANSYS/Multiphysics有限元分析软件对试样的表面感应加热淬火过程进行了数值模拟分析。采用磁-热耦合分析方法模拟计算了试样感应加热淬火的加热温度场分布,喷水冷却后的温度场分布,长时间在空气中冷却后的温度场分布,以及淬火后的残余应力分布。利用数值模拟得到的一些重要结论和工艺参数作为指导参考对刹车轮进行感应加热表面淬火,并与常规淬火试样进行对比试验研究,结果表明：试验实测的试样表面温度、表面残余应力与模拟仿真结果基本吻合；感应加热淬火试样的表面淬硬层组织为隐晶马氏体,比常规淬火试样的马氏体组织更为细小,而心部仍保持调质状态的索氏体组织；感应加热淬火的淬硬层深度为5mm,硬度由表层至心部存在梯度分布,在淬硬层深度范围内,从表面至距表面4mm左右的硬度高于常规淬火的硬度(高30-50HV),而4mm到5mm的硬度略低于常规淬火的硬度；感应加热表面淬火和常规淬火试样表面均表现为残余压应力,但前者(425.7MPa)要大于后者(318.4MPa)；感应淬火试样与对偶件之间的摩擦系数(平均值在0.4左右)高于常规淬火和原调质状态试样与对偶件之间的摩擦系数(平均值分别在0.38和0.3左右),表现出较优异的摩擦性能和制动性能,而在相同试验条件下,感应加热淬火试样的磨损量明显小于常规淬火试样的磨损量,具有更好的耐磨性能。为了进一步提高石油钻井绞车刹车轮的耐磨性能和抗疲劳龟裂能力,本文对感应加热表面淬火后的试样进行了喷丸强化,主要研究了喷丸前后工件表面的硬度梯度变化、残余应力变化和磨损性能变化。试验研究结果表明：试样表面喷丸强化层的显微硬度较喷丸前试样有了较大程度的提高,其最大值为719.5HV,比喷丸前试样提高了8.6%,同时随着距表面距离的增加,其硬度值也趋同于喷丸前的显微硬度,喷丸强化的影响层深度在0.5mm-1mm之间；喷丸过程中,试样表面发生塑性变形,强化层内残余压应力提高,其表面残余压应力值为625.3MPa,较喷丸前提高了199.6MPa；试样经喷丸强化后的耐磨性增大,磨损失重减少,未喷丸试样在磨损80min后,磨损失重为39.5mg,而经喷丸强化后的试样磨损失重为37mg,其磨损失重减少了6.8%。