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泥浆泵是石油钻井机组的重要核心,有着输送介质广、排压高、效率高等特点。在石油钻探作业中,随着钻井深度的不断加深,泥浆泵也不断朝着大缸径、大功率、长冲程和高泵压等方向去研究发展。泥浆泵作为石油生产的重要装备,其性能的好坏对石油产量有着重要作用,所以提高国产五缸泥浆泵的研发设计水平,增加设备的性能和质量有着重要意义。而曲轴又是泥浆泵动力端曲轴系中最关键部位,它的结构和疲劳强度直接影响到泥浆泵的可靠性与使用寿命以及生产的安全性。泥浆泵工作时曲轴受到循环且强烈的交变载荷,容易产生应力集中现象从而发生疲劳破坏,造成生产安全事故和大量经济损失。所以采用AMESim与LMS virtual.Lab Motion联合仿真对泥浆泵进行仿真分析,得到曲轴所受应力分布,然后对其进行改进降低其所受的最大应力,提高曲轴的使用寿命及安全性。本文以一种大功率大排量的五缸单作用泥浆泵作为研究对象,通过机械系统的运动及动力学原理、计算机编程技术和联合仿真技术对泥浆泵进行深入的研究和分析。具体研究内容和研究成果包括以下的几个方面。(1)首先,确定五缸泥浆泵的总体方案,在Creo软件中运用自顶向下设计方法建立其顶层骨架模型,最后建立起五缸泥浆泵的整体模型。在Mathcad中进行五缸泥浆泵参数的设计,然后再利用Mathcad与Creo软件两者之间的无缝连接实现泥浆泵参数的设计与传递。(2)进行了五缸泥浆泵的基础理论分析,分析了泥浆泵工作时所受的内外力以及动力端的运动学和动力学分析,为联合仿真奠定理论基础。(3)在AMESim中建立泥浆泵曲轴系、液缸、阀门等零部件的仿真模型,并组合搭建成泥浆泵系统的1D模型。仿真分析得出缸内活塞所受液体压力和泥浆泵工作时的流量和压力的波动特性,并与理论计算进行对比,验证在AMESim中构建的泥浆泵模型的准确性。(4)基于LMS Virtual.Lab Motion和AMESim联合仿真的方法,对曲轴柔性化后的泥浆泵进行刚柔耦合运动学和动力学仿真,得到各构件的运动学特性和活塞运动特性、曲轴曲柄梢、主轴颈等主要动态作用力的变化规律以及曲轴所受应力的分布情况。(5)根据曲轴所受应力的分布情况,使其过渡圆角改进为阶梯形圆角来降低曲柄销圆角应力。然后基于响应面法RSW(Response Surface Methodology)建立以曲柄梢圆角所受应力最小为优化目标,R1、R2、H为设计因子的优化模型。分析改进后的模型,通过对比得出改进后的阶梯形圆角比普通圆角所受应力降低了 20.64%。