泥浆泵是石油钻探设备的重要组成部分，它向钻孔里输送泥浆或水等冲洗液，以达到冷却钻头、携带岩屑及保护井壁等作用。现代石油钻井技术的发展对泥浆泵的性能提出越来越高的要求，国内目前广泛使用的石油钻探是三缸单作用往复泵，而三缸泵存在体积大、可靠性不高、功能部件的寿命短、效率低等缺点。很多泥浆泵参数还是利用多年前的国外泥浆泵的参数，只能勉强满足钻井的要求。本文主要在失效相关下对高压注射泥浆泵系统进行可靠性分析，以及对其动力端的主要部件力学仿真和疲劳分析，最后进行参数优化和拓扑优化，并得出一些具有工程应用价值的结果。本文由以下几部分组成：第一部分：通过对现有的高压注射泥浆泵机理的研究和分析，利用故障树分析法对泥浆泵系统的进行故障分析。考虑零件间的失效相关性，结合随机事件的交、并运算，利用可靠性方法对高压注射泥浆泵系统进行可靠性失效相关分析，并提出其可靠度的计算方法，同时提出提高泥浆泵可靠性的方法。第二部分：通过简化泥浆泵结构，建立其运动方程和解析计算模型，找出泥浆泵的运动规律、受力情况。利用机械三维软件PRO/E建立泥浆泵（3NB-1600F三缸单作用泥浆泵）的三维实体模型，实现对泥浆泵的运动仿真。通过Workbench有限元软件，对泥浆泵动力端重要部件（曲轴、大齿圈等）进行力学仿真与疲劳分析，得出各部件失效的原因及需改进的地方。第三部分：利用优化软件MATLAB对泥浆泵动力端的小齿轮轴的参数进行优化设计，及利用有限元软件Workbench对连杆进行拓扑优化，并对优化结果进行检验，从而达到提高泥浆泵整体性能的目的，也进一步证明此优化设计方法的可行性和有效性。