1 引言

随着全球石油天然气、深部矿产资源开发利用和地下空间建设的加速推进，硬岩地层钻进技术成为石油、矿山等工程的关键瓶颈，制约了石油、矿山等工程的绿色高效开发。泥浆马达是岩石破碎常用动力设备，影响作业安全性和施工效率，随着大直径钻孔特殊作业需求增加，大功率泥浆马达需求量上升但存在诸多不足。常用大规格泥浆马达主要有Φ244、Φ286两种，Φ300以上规格少见。主要是由于大功率泥浆马达结构长、重量大、制造技术要求高。现场使用维修不便、使用寿命短、钻井液消耗量大，使用成本高、经济效益差。需要改进大功率泥浆马达结构与设计方法，结合新材料、新工艺提升性能，发展先进大功率泥浆马达新技术。

2 大功率泥浆马达

2.1 结构原理

大功率泥浆马达要求高结构重量、输出扭矩、使用寿命和钻井液消耗量。泥浆马达或螺杆钻具是典型的容积式马达，主要类型包括不带弯接头和带单、双弯接头的三种，结构由马达、万向轴、传动轴、旁通阀等组成，如图1所示。马达总成通过共轭行星运动将钻井压力能转化为机械能，推动钻头旋转。

Figure 1.

图1 普通泥浆马达或螺杆钻具结构

1.旁通阀总成 2.防掉锁母 3.马达总成 4.定子壳体 5.马达转子

2.6.万向轴总成 7.水帽 8.传动轴总成 9.钻杆接头

2.2 影响因素

马达总成、万向轴、传动轴和轴承对长度、重量、机械性能和经济安全性影响大，易失效，是质量控制、结构改进和功能完善的重点。

2.2.1 马达总成影响泥浆马达性能和寿命

泥浆马达的输出扭矩与压降成正比，输出转速与输入流量成正比，合理优化参数可提高机械输出性能并缩短定转子长度。定子由金属壳体和橡胶复合而成，橡胶为最薄弱环节，橡胶与定子结合力、密封性能和寿命易受多种因素影响，使用过程中，定转子副接触过盈量、啮合密封状况易变，中空转子结构在扭转应力许可下可减轻整机重量；

2.2.2 万向轴对整机的结构长度、重量制约较大

万向轴将马达偏心运动转换为旋转运动，驱动钻头破岩。其偏心作用加剧泥浆马达摆动，扰动钻井液流动，导致转速波动。花瓣式、球笼铰接式万向轴减重效果有限，需采用挠性轴等柔性传动方式优化性能；

2.2.3 传动轴和轴承在复杂应力下易失效，改进材料和结构可提升其性能和寿命

传动轴使用硬质合金TC径向轴承和多列推力球轴承或角接触球轴承，岩石破碎直径、钻压和输出扭矩增大影响传动轴受力，复杂载荷导致轴承接触形式、载荷分布等劣化，使用碳化钨或PDC金刚石替代推力轴承滚动体，薄壁结构增加传动轴内径，缩短长度、减轻重量。改进轴承材料可提高承载能力和耐磨性能，结构优化能减少重量并提升动力输出。轴承设计需考虑地层变化和工况影响，滑动接触替代滚动接触可增强抗冲击力，多花键或铣平面结构保持钻压和钻速稳定。

2.2.4 结构性能参数的关联性及其耦合协调优化

大功率泥浆马达需满足低速大扭矩输出、泥浆高效过流、机械稳定性和长寿命等要求。增大马达线数可降低转速和偏心距，提升理论扭矩，但会导致过流面积减小，增加离心力和轴向力，降低机械效率，加剧接触疲劳。传统设计方法难以协调各参数耦合关系，导致扭矩不足、轴向载荷超限或磨损加剧。

2.3 设计改进

近年来，国内外研究了五种大扭矩泥浆马达类型：螺杆马达加长或串联型、双层螺杆马达嵌套型、多螺杆马达捆绑型、大直径超短型及曲轴滑块型。Φ340泥浆马达基于螺杆钻具优化，应用于非开挖、隧道和矿山工程的大直径钻孔作业，效果显著，如图2所示。

Figure 2.

图2 Φ340泥浆马达

（1）整体结构方面，通过多目标优化方法，优化大功率泥浆马达结构性能参数，采用多线数传动比、中空转子两端支撑固定等技术，改进主体结构布局和传动连接方式，缩短整机长度，减轻重量，解决造斜、稳斜、控向难题；

（2）承载能力方面，通过中空转子台肩将轴向钻压和推拉力波动转移至壳体，有效抑制离心力振动和侧向冲击力，提高马达轴向水推力、振动冲击平衡能力和抗推拉能力，使整机运行更平稳、安全、可靠；

（3）在加工制造和工程应用中，泥浆马达定子采用无螺纹连接和一次性注胶，减少了脱胶和钻具断裂风险；增设加压钻进短节降低钻井液消耗，改进了水帽增加双向注浆功能，提升了长距离施工能力和现场使用便捷性。

3 多目标优化方程

为优化线型共轭副几何性能，采用普通内摆线等距线型，确保曲率连续性，避免接触应力集中和密封失效，最大化过流面积。利用NSGA-II优化方法，考虑马达线数比、等距圆半径等参数的耦合作用，提升输出扭矩，降低转子离心惯性力，对Φ340泥浆马达进行多目标参数优化。

3.1 设计变量

（1）

其中：——马达线数比（整数），。

——等距圆半径（mm），

——螺距（mm），

——定子外筒壁厚（mm），

——转速（rpm），

3.2 目标函数

（1）最大化过流面积

（2）

（2）最小化转子轴向力

（3）

（3）最小化离心力

（4）

（4）最小化最大滑移速度

（5）

3.3 约束条件

（1）几何约束

（6）

其中：——定子外径（mm），

——定子衬套厚度（mm），

（2）压力密封约束

（7）

（3）转速范围约束

（8）

（9）

（4）接触角防自锁约束

（10）

（5）几何可行性约束

（11）

（12）

综合以上设计变量、目标函数和约束条件，建立完整数学模型如下

（13）

4 多目标参数优化

4.1 过程分析

初始种群规模为500，通过拉丁超立方抽样生成均匀覆盖设计空间的初始解集，确保全局搜索能力。约束条件通过罚函数法融入适应度函数，对违反几何约束和离心力限制的解施加高惩罚系数，确保搜索过程收敛至可行域。迭代次数达到1000以上时，pareto最优解前端曲线平滑、分布均匀，表明SGA-Ⅱ算法有效且收敛良好，初始种群和迭代次数对优化结果的影响如图3所示。

图3 初始种群和迭代次数对优化结果的影响

4.2 优化结果

经1000次迭代后，算法收敛至稳定的pareto最优解前端，偏心距E和等距半径r分别为7.5mm、15.18mm时，满足最优几何比例关系，扭矩、轴向力与过流面积间的协调变化关系相对稳定均衡。由此确定出在泥浆泵马达的线数、级数、有效长度、转速和输出扭矩分别为14/15、3.4、4100mm、14~31 rpm和30.08kNm，排量范围：0~3m3/min，推荐钻压：0~60 t。

5 性能测试

通过30 kNm动力钻具整机实验台，模拟实际使用工况，采用正向测试方法进行实验测试，如图4所示。实验系统主要由动力系统、循环加载装置、刹车系统和自动控制与检测系统等组成。实验过程中，电动机驱动泥浆泵从水箱供水至泥浆马达，驱动马达旋转，系统自动记录扭矩、转速、流量、压差等参数。根据实验条件，实验介质采用清水，实验时，泥浆马达整体固定不动，进行密封、启动、恒流量加载和负载制动性能测试，340泥浆马达性能测试曲线，如图5所示。

Figure 3.

Figure 4.

图4 整机实验系统 图5 340泥浆马达性能测试曲线

实验测试和现场应用表明。

（1）低转速下，泥浆马达运行平稳，效率和机械性能优于普通马达，输出扭矩2.35~2.46 kNm，效率38%~40.2%；

（2）加载运行时，随着负载逐步加大，马达失速不明、显过载能力强。当马达制动堵转时，最大输出扭矩48.5 kNm，机械性能开始下降；

（3）由于受实验介质、扭矩量程和轴向加压不足等实验条件限制，导致测试结果略有下降。多泵并联、钻井液排量足够时，实际应用中最大输出扭矩超过35 kNm，寿命超300小时，抗推拉能力超100t。

6 结论

针对大功率泥浆马达结构优化和设计改进，通过分析马达线数比、螺距等参数，构建多参数、多目标优化模型，利用NSGA-II算法优化了Φ340泥浆马达，轴向力、离心力、过流面积和滑移速度等多参数耦合协调平衡。实验测试和现场应用验证了结构的合理性，为多目标全局优化智能算法提供了理论参考^[11]。

（1）马达总成、万向轴、传动轴和轴承等部位容易发生失效，对泥浆马达的结构性能影响较大，是大功率泥浆马达结构优化和技术改进的重点；

（2）优化后的马达线数比14/15、偏心距为7.5mm、等距圆半径为15.18mm，有效长度为4100mm，转速和输出扭矩分别为14~31 rpm和30.08 kNm；

（3）实验和工程应用测试表明，Φ340泥浆马达低转速运行平稳，加载运行失速不明显、过载能力强，满足大直径钻孔的低速大扭矩与高稳定性需求。

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作者简介：魏秦文（1974.08-），男，汉族，博士，正高级工程师，现从事石油钻井自动控制技术及理论教学和研究工作。

通讯作者：*韩银芳（1999.09-），北华航天工业学院机电工程学院在读研究生，研究方向智能井下工具理论与方法。

通讯地址：（065000）河北省廊坊市河北省广阳区爱民东道133号北华航天工业学院机电工程学院。E-mail：

基金项目：河北省教育厅科研项目“基于深度学习的钻井极限延伸及泥浆马达智能控制控制方法研究”(编号：ZD2021304)；廊坊市科技支撑计划项目“大扭矩螺杆钻具结构及工艺参数优化”(编号：2022011028)；北华航天工业学院博士基金项目“无线反循环超短泥浆马达关键技术研究”(编号：BKY-2022-04)。