现如今,随着石油开采难度的不断增大,油田对于抽油机的性能也提出了更高的要求。根据实践经验,增大抽油机冲程和减小冲次能够有效改善抽油机的性能。长冲程抽油机以塔架式抽油机为代表,其换向机构与平衡装置作为抽油机的关键部件,成为了当前研究塔架式抽油机的主要内容。本文以塔架式抽油机为基础,针对当前不同形式的塔架式抽油机存在的不足,结合油田现场情况,提出一种变频控制机械换向抽油机的结构方案。该变频控制机械换向抽油机采用了机械换向箱,由曲柄连杆机构与齿轮传动的组合机构实现换向;应用配重平衡与摆动气缸辅助平衡相结合的平衡方案;对电动机进行变频控制,改善抽油系统性能。基于变频控制机械换向抽油机的结构方案,建立变频条件下的地面装置运动学仿真模型、抽油杆柱振动与悬点载荷仿真模型、摆动气缸辅助平衡系统的输出模型,构建抽油系统单自由度、多自由度整体数值仿真模型,利用MATLAB计算得到动态参数仿真结果,并绘制悬点示功图、悬点运动规律曲线以及电动机功率曲线。基于仿真分析,明确设计变量与约束条件,以曲柄轴扭矩因数最大值最小为目标函数建立抽油机传动机构尺寸优化模型。在机构优化的基础上,以电动机输入功率均方根值最小作为目标函数构建电动机变频控制优化模型,分别对优化结果进行对比评价。以系统优化后的仿真结果为基础,建立换向机构力学模型,考虑塔架在实际应用中的弹性地基构建塔架力学仿真模型,并分别进行有限元分析,依据最终分析结果对抽油机整体设计进行评价。