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钻井泵有钻机“心脏”之称,结构复杂、制造工艺难度大。ZY3NB2200钻井泵是为满足我国日益发展的钻井技术的需要而研制和开发的一种新型大功率往复式钻井泵。本文重点针对目前国内外对大功率钻井泵的迫切需求及2200马力钻井泵在国内仍为空白的现状,在借鉴前人大量研究成果的基础上,利用现代数学、力学知识以及计算机软件,通过理论推导、数值模拟等手段,对大功率钻井泵及其关键部件进行设计与仿真分析研究,并根据仿真和分析结果对ZY3NB22000大功率钻井泵的设计进行指导。首先,通过查阅国内外文献及有关设计规范,总结出ZY3NB2200钻井泵各个系统及主要部件的设计方案和计算理论,并根据基本计算理论分析了钻井泵的压力、传动机构的运动关系、钻井泵动力端的受力及曲轴强度等,为有限元数值模拟提供了依据。其次,研究过程中运用了虚拟样机技术,建立了ZY3NB2200钻井泵各系统及主要零部件的三维实体模型,进而开展泵运动学和动力学的仿真分析并对虚拟样机进行运动分析、动力分析等,对ZY3NB2200钻井泵的设计进行全面评估。针对ZY3NB2200钻井泵结构和受力复杂的特点,利用ANSYS有限元分析软件对ZY3NB2200钻井泵动力端和液力端等关键部件进行静力分析,验证其静力强度;在工作压力下对关键部件进行疲劳分析,验证疲劳寿命要求;对钻井泵动力端的关键部件进行模态及谐响应分析,计算关键部件的固有频率和振型,通过谐响应分析找出了容易发生共振的频率段及共振型态,为钻井泵的动力设计及校核提供了依据。再次,建立了ZY3NB2200钻井泵液力端流体的运动模型,应用CFD、FLUENT软件对液力端流体运动规律以及泵阀工作机理进行了仿真分析。研究了液力端结构对于输出流体压力波动及液力端易损件寿命的影响,并对液力端结构进行优化设计,使得ZY3NB2200钻井泵具有良好的输出性能,延长易损件的使用寿命。最后,对泵阀运动规律进行了研究,以达到优化设计泵阀的主要结构尺寸、提高泵阀使用寿命的目的。建立了往复泵泵阀运动数学模型,并采用数值方法求出近似解。