150712_磕头机

 磕头机？是什么东西？为啥要磕头呢？庙里有颂经机，没听说有磕头机，有人需要磕头机拜大礼吗？其实这里讲的磕头机，是目前地面油田开采石油最常使用一种抽油机的俗称，也有人管叫它为有杆泵，其正名为游梁式抽油机，它是由一个曲柄摇杆机构、电动机和抽油杆组成，曲柄摇杆机构将电动机的旋转运动转换为抽油杆的上下往复运动，抽油杆带动深井泵，完成采油过程，能将油井井下原油抽到地面。磕头机的曲柄摇杆机构主要是由驴头、游梁、连杆、曲柄所组成，形象上，如上图所示，支架位于游粱的中部，驴头和曲柄连杆分别位于游梁的两端。工作时，电动机的传动经变速箱传递强大扭力，带动曲柄作低速旋转运动，同时，曲柄通过连杆经横梁拉着游梁后臂(或前臂)摆动 (或者有些没设置横梁的，就直接以连杆拉着游梁后臂)，游粱的前端装这有大大圆弧状的驴头，经悬绳器带动抽油杆柱作上下往复直线运动，游梁驴头便带动活塞作上下的、垂直的往复运动，从而不断地把地底井中的原油抽出井筒。磕头机具有性能可靠、结构简单、操作维修方便等特点。由于驴头随同游梁一起上下摆动，活像不停地做磕头动作似的，因此就有了「磕头机」封号，原来这个「头」字指的是游梁式抽油机中的驴头。那为什么叫「驴」「头」呢？您瞧他的工作态度，是不是永无止境日夜星辰不停地工作，什么动物有这般能耐？不说，您明白的。上图从左影像开始，经中上影像、中下影像等分解动作，呈现磕头机一次的向上扬头动作，并将油抽出井筒的情况。过程中，可以发现，驴头经悬绳器带动抽油杆柱作上下往复直线运动，始终保持着垂直的一条线，这是驴头设计成圆弧状的秘密所在，使驴头在空间里的运动像是永远在画圆弧，因此，与此圆弧保持相切关系的悬绳器，当然永远能保持垂直向下。

曲柄摇杆机构的3D图与曲柄摇杆机构示意图 

这里不谈游梁式抽油机的工作原理，因为那会额外谈到电动机、抽油杆和活塞等等的运作细节。这里主要是谈游梁式抽油机的机械结构，也就能够直接提供抽油功能的曲柄摇杆结构。如果游梁式抽油机的机械机构完全是由连杆来实现的话，那就要设计成如同右图左方曲柄摇杆机构的3D图所示的那样，为了左边抽油杆柱能进行上下往复直线运动，由于此时游粱前端并没有设计驴头，那么游梁中央支架就得是个可摆动的小连杆(图示黄色部件)，这样支架就得不到稳固。由此可见，当初发明驴头的设计人真是厉害，他除了能让油杆柱保持上下往复垂直直线运动以外，还保住支架稳如泰山，真是一举两得，也是个聪明发现。在学理上就如同右图右方所示的曲柄摇杆机构示意图，如将 AD联线取4号构件当机架，当电动机带动曲柄1(最短杆)以角速度绕着左下A支轴做整周回转时，会传递运动给铰链B一起的2连杆并摇动在D支轴上的3摇杆，这个3号摇杆就成了游梁的右臂，而游梁左臂并不在图内，而是从D支轴向左延伸的连杆，左右臂合体就形成会上下摆动的游梁，而D支轴就是稳固支撑在游梁中央的支架。经由曲柄摇杆结构的学理分析，可以发现，虽然游梁式抽油机的外表看起来十分复杂，其实他的机械结构还是蛮简单的，不是吗？

就让曲柄摇杆机构引领我们，顺着中国高铁的引进消化吸收再创新的心法，共同一起动手操作积木。首先，从零开始思考，机构动力车在车轮、平台、动力三方面，由于有着相同平台化的底盘骨架，除了轮子不用重新发明，底盘骨架平台也不用再重新发明，就只剩下动力单方面着眼进行设计，这样就可以快速有效地把曲柄摇杆机构设计安装在新款车的框架里，这也是机构动力车集团军能够经济有效创新智造的奥秘，当然还要经过多番的尝试与犯错。这里已经将曲柄摇杆机构里的移动导杆当作尾部触发角色的连杆，以下就是创新智造出来具有曲柄摇杆机构的新款机构动力车。

保有曲柄摇杆机构特色尚处于待命状态的新款机构动力车

上图是运用曲柄摇杆机构特色设计而成的新款机构动力车，请注意，这台的动力灰色中齿轮是安排在前轮轴上，因此是一台前轮驱动车，而方框骨架中的黄色中齿轮，正是曲柄摇杆机构里的曲柄角色，它铰链了一个五孔连杆，这就相当于曲柄摇杆机构里的2号连杆，它则铰链一个中连杆，也就是曲柄摇杆机构里的3号摇杆，其支架就设在方框骨架中，3号摇杆也就是磕头机里的游粱，它在上图呈倾斜状，其尾端刚好当卡榫，并卡住了前轮轴上的中齿轮，这样就形成处于待命状态的情况。经前述如此分析，可见前面原本所列的曲柄摇杆机构示意图，正好就是新款机构动力车的机构图，也请不要忘了，曲柄是主动件，换句话说，黄色中齿轮就是主动件，也是充当本动力车的触发角色，因此，顺转黄色中齿轮会起得曲柄作用，虽然我们在整个曲柄触发连动行程中只要完成了约八分之一圆周运动，藉由曲柄摇杆机构的转向机制，就能起得了摆动游粱摇杆作用，使得游粱摇杆往下一沉，这就松开了卡榫，实际情况就如下图所示。此时卡榫脱离了前轮轴上灰色中齿轮的齿牙，进而抛开束缚，现在已松动前轮轴上的中齿轮了，说时迟那时快，储能立马转换成为快速运转的动力，只见，机构动力车像一只脱缰之马往前奔驰。

保有曲柄摇杆机构特色已触发启动的新款机构动力车

教学上常见的善小不为反思，也就是缺少如何站在巨人肩膀所需要的小步伐般改善之道，就以讲授磕头机与曲柄摇杆机构为例，其常见课堂教学上是用计算机仿真进行动态演示，乍看没有什么问题，有问题吗？大家都这么做，怎么会有问题！别钻牛角尖了好不好。这个教学演示当然是假的，与实际有出入是必然的，就别太认真了！其是问题不是出于演示是否真假，而是在于陈述的内容太过专业了，演示过程也非常棒，但是，难道都那么完美吗？有没有可供单点突破的学习改善点呢？从小地方改善进而对整体有进一步认知，这样不是很好吗？实例就是本博文前面提过，如果游梁式抽油机的机械机构完全是由连杆来实现的话，经由这样的情境设计，先提供给学员间的分组讨论并鼓励发表，尤其要诱导提出这样设计会出问题的改善之道，如是这样再切入讲解游梁式抽油机的机械机构，学员应会有如鱼得水之感，因为有了小突破，在面对大问题时，就不再困难重重了。这种单点突围的战术手法，不只适用于战征战斗，同样也适合教学上，就看我们如何转化而已。

学理学习上需要单点突围的策略手法，难道在机构动力车的创作上不需要吗？答案肯定也需要，可以说，几乎面对任何难题时，包括男女朋友交往，单点突围的策略，都不失为一种值得考虑的手法之一。我们回头看这辆保有曲柄摇杆机构特色的新款机构动力车，可以预见这是多么别扭又不便捷的方案，况且这款机构动力车在实际陆跑时，会在行进间中途卡住不得行，这是因为当我们顺转(很别扭吧)黄色中齿轮会连动松开卡榫，在触发车子行进后，半路又会被游梁卡榫回卡而停顿，表示开放状态无法保持稳定，有必要加以改良。果然是有改良空间，至于要如何进行改良，就留给读者一个自由想象的思考空间。笔者也做了两次改良，这些改造实作照片就先卖个关子不放进来了，等时机妥当自当公布。

当然，谈如何运用有效学习策略并不是教授专业科目(例如机械原理)的重点项目，这让我想起目前初中孩子在数学课学比例概念时，数学老师就只光讲课本里的数学，根本没提在物理上、化学上或有关比例的任何科学概念。这下孩子学完回家后，虽然学了很多，但就只停留在有听没有懂的境界，我考他比重或浓度，孩子就举白旗了，这种教育果真令人泄气。显然，有效学习策略是需要导入到课程里，尤其是工程议题学习上，若先让学员挑别人作品的毛病，则任谁都乐意，共同讨论后提出改善看法，不要小看了这个改善动作，这就是个单点突围的突围口，经由此突围口就容易攻占原工程学习上议题。善小常为之，利人利己。