为满足目前我国油田高效生产,对抽油机提出了长冲程、高效率的需求,在众多形式的长冲程抽油机中,滚筒抽油机在应用方面较为理想,但目前困扰该机型发展的主要原因是换向机构可靠性较差。本文针对滚筒抽油机系统进行方案设计及优化仿真,主要进行了以下几个方面的研究:基于逆平行四边形机构和齿轮并联输入的2K-H行星轮系,设计了一种单自由度的机械传动换向装置。基于该新型换向装置以及悬重平衡方案,设计了一种塔架式抽油机。新型抽油机具有机械换向可靠、输出摆角大、易实现长冲程等优点。建立了新型抽油机换向装置运动学与悬点运动规律的分析模型;根据运动学模型,建立了抽油机地面传动装置单自由度刚性构件系统动力学与抽油杆柱纵向振动的耦合仿真模型。在系统运动学与动力学仿真模型的基础上,建立了换向装置扭矩计算模型,分析了系统的运动与动力特性。基于有限元法和集中参数法,考虑齿轮时变啮合刚度、齿轮啮合误差、系统传动阻尼系数等非线性因素,建立双曲柄-齿轮系耦合扭转非线性动力学模型,基于该模型对双曲柄与齿轮系并联系统的固有频率及系统动态响应进行仿真分析。分析发现系统存在跳跃与混沌现象,确定了双曲柄机构在系统振动响应中的重要影响。基于机械优化设计理论,根据刚性动力学及扭转动力学模型,分别以均方根驱动扭矩及结构参数的加权平均值最小为优化目标函数,建立抽油机的机构参数优化及结构参数优化模型。优化结果表明,与游梁式抽油机比较,新型抽油机具有节能效果。