由于陆上油气资源的日渐枯竭,海洋石油资源的勘探、开发无疑将是未来全球石油战略的接替。为满足海上深水钻井作业的需要,对钻井设备也提出更高的要求。作为钻井液循环系统的关键设备钻井泵,正朝着大功率、大排量、高泵压、轻量化的方向发展。随着泵压和功率的提高,对钻井泵本身零部件的强度、刚度的要求也随之大幅度提高。受到海洋钻井平台可变载荷和空间的限制,要求平台上的钻井泵的重量要尽可能轻、体积尽可能小。为此,提出了研制功率大、压力高、重量轻、可靠性高的新型WF2000型三缸钻井泵要求,以满足海洋钻井平台钻井的要求。首先,对新型钻井泵进行总体方案优选设计,在满足功能要求的前提下,优选了主要部件结构并进行了总体设计。在此基础上,采用有限元分析分析方法,对泵的主要部件进行了强度与刚度计算,计算表明:该泵总体性能可满足设计要求,但重量及结构刚度均衡性不够理想,部分零部件还有继续优化的可能。为了缩短同类型钻井泵的设计计算周期,需要考虑相同部件的有限元模型相互调用,笔者将子结构分析技术应用于泥浆泵关键部件强度、刚度计算,并对关键部件的结构进行了优化再设计。利用子结构库进行主要部件的优化计算,为后续同类钻井泵的设计计算节省分析计算时间、提高分析计算的可靠性,提高计算效率。在静力结构优化设计的基础上,笔者对该泵进行了动力学分析设计,对钻井泵泵壳进行约束模态分析,通过模态参数了解结构的动态特性、进行动态再设计,避免出现对结构不利的振型,防止发生共振,为泵壳结构的整体优化和钻井泵工作频率的设计提供改进依据,提升了泵的动态工作性能。最后,优化设计后进行了样机制造并进行静、动态测试,测试表明,该泵性能达到设计要求,重量大为减轻,结构刚度更为均衡。目前该型钻井泵已经批量装备到多个自升式钻井平台上。本文通过对WF2000型钻井泵的有限元计算、子结构优化再设计、泵壳模态分析、以及最终应力测试等进行了系统的分析和总结,为新型钻井泵的研发,提供了一种新的设计与分析方法。文章主要完成了以下几方面的内容:1、在总结钻井泵关键部件理论计算的基础上,按照功能分析原理,对主要构件进行了结构优选设计,用有限元分析方法,对WF2000型钻井泵关键部件进行强度、刚度分析,找出结构设计的不足和进行结构再设计的研究方向。2、应用子结构技术,以应力均衡化、减轻整机重量为优化目标,对WF2000型钻井泵的关键部件曲轴和泵壳进行了优化再设计。3、采用兰索斯法(Block Lanczos)对钻井泵泵壳结构进行模态分析,提取结构低阶模态参数,得到结构的固有频率和振型,提出改进措施,避免出现共振,为泵壳结构整体优化和钻井泵整体工作频率的设计提供依据。4、对WF2000型钻井泵泵壳进行了应力测试与变形测试,测试结果表明,再设计后的结构较原模型得到了优化,结构再设计是钻井泵设计的首要方法。