钻井泵,是组成钻机循环系统的重要部分,又称泥浆泵。对于曲柄连杆式钻井泵,其压力脉动是引起钻井泵事故的主要原因之一,大约40%的事故来源于泥浆泵。降低压力脉动,一方面有利于减少钻井事故,另一方面也可以明显提高泵的性能。目前,普遍通过在距泵排出阀箱最近处设置排出空气包,来减小钻井泵排出压力脉动幅度。空气包是组成钻井泵液力系统的重要部分。其内部体积随气体压力变化而增大或减小,利用这种特性,空气包可以储存(或释放)超过(或低于)平均流量多的那部分液体,因而可以减小压力脉动幅度,维持着钻井泵管线中的液体近似地均匀流动。本文主要围绕大排量、高工作压力的1176kW五缸钻井泵的空气包总成,逐步展开分析与研究,比较系统的介绍与总结了1176kW五缸钻井泵空气包的相关理论与设计方法。文章首先论述了钻机钻井泵技术的发展现状及趋势,阐明了此课题实施的必要性。其次,在钻井泵运动分析的基础上,研究了五缸钻井泵的水力特性。推导得出了五缸泵的瞬时流量表达式,并基于Matlab软件,绘制了其瞬时流量曲线；对引起流量脉动的一些主要因素进行了分析。第三,针对空气包管路系统的动态特性进行了详细分析。建立了排出空气包管路系统的数学模型；分析得到了排出空气包后管路系统的流量动态方程,以及空气包体积和压力随时间变化的动态方程,并结合实例做了分析研究。第四,提出了一种空气包结构设计的简便方法,并在给定基本设计参数条件下,利用此设计方法,计算确定了1176kW五缸钻井泵排出空气包(球型)的容积及内径。进一步,计算得到了空气包总成其它零件的结构尺寸,基于Pro/E软件,建立了空气包总成及所有零部件的三维模型。最后,有别于传统设计方式,作者将有限元方法引入到空气包设计中,将Pro/E的建模功能和有限元软件Ansys分析功能结合起来,利用Pro/E软件完成建模,并运用有限元分析软件Ansys对其进行有限元分析,根据ASME标准对其进行校核。结果表明,完全符合设计准则,满足设计要求。另外,作者针对所设计的空气包进行了结构优化和模态分析。本课题对于减小系统振动,降低工作噪音,提高钻井泵的工作性能以及使用寿命等方面都具有十分重要的意义。