油水井牵引器是完成水平井中测试仪器运送的重要设备。对牵引器进行优化研究,提升牵引器对工况环境的适应性和牵引工作的安全性,具有重要的理论意义和应用价值。本文以中国石油科技创新基金研究项目(2012D-5006-0209)为背景,从牵引器系统设计、结构优化设计、仿真试验与样机实验等几方面进行研究:针对牵引器工况环境的特殊性,采用模块化的设计方法,对液压驱动伸缩式油水井牵引器的结构参数和主要机械系统功能单元进行了研究。通过计算,确定了井筒轴线轴向弯曲参数约束下、配置关节机构的牵引器结构参数取值范围。通过构型分析,设计了以直齿条锁压为主、弹性臂导向为辅,刚性连杆传动的支撑锁紧机构,提高了牵引器定点、胀紧动作可靠性;设计了以弓形弹簧片为扶正臂,具有自适应弹性复位能力的扶正机构,增加了牵引器的运动柔性;设计了具有3个转动和1个轴向运动自由度的4-SPS(PS)并联机构的关节机构,扩展了牵引器的工作空间。在分析牵引器主要机构的运动和受力特点基础之上,展开运动学和动力学方面的研究。对支撑锁紧机构进行位移和受力分析,结合正交实验分析法和虚功原理,建立了描述机构工作特点的运动特性函数和活塞杆推力方程,设计了锁紧块的结构参数,解决了利用较小动力来获得较大牵引力的问题;利用“伪刚体模型”法和虚功原理建立了扶正机构扶正臂伪刚体构型的扶正力方程,得到了扶正臂非线性大位移弹性变形与受力之间的关系;利用空间机构学和矩阵理论,对关节机构进行位姿、速度的正反解分析和力学分析,推导出运动学正反解算法,建立了动力学方程,得到运动速度和力的齐次Jacobean矩阵,获得了奇异形位时的机构参数,全面揭示了关节机构的运动学和动力学特性。针对牵引器工作性能需求,建立相应的目标函数,提出系统化结构参数优化设计的算法。以满足支撑力条件下的活塞推力最小为优化目标,以支撑杆长度、支撑杆与支座连接点径向尺寸为优化变量;以满足扶正力条件下的扶正臂体积最小为优化目标,以扶正臂弧长、弯曲半径及横截面高度等几何尺寸为优化变量;以关节机构刚度和灵巧性指标综合最优为优化目标,以关节机构支链位姿角度、平台距离及支链横截面积为优化变量,综合考虑加工制造工艺性及强度、刚度和疲劳条件,建立了牵引器主要机构的力学模型和优化设计方法。采用复合形法、主要目标函数法对模型进行计算,优选出牵引器主要机构的结构参数和整机几何尺寸,完成了牵引器的优化设计,解决了牵引器运动功能单元较小的结构尺寸与较大动力输出之间的矛盾。利用Solid Works的相应模块对牵引器主要机构和零部件进行三维可视化实体建模并进行仿真研究。校核了关键零部件的强度;研究了牵引器通过井筒障碍时的动态特性,对支撑锁紧、扶正和关节等机构进行直管行走越障、弯管通过等多种井下环境的动力学仿真试验,得到了关节机构转角的支链伸缩控制参数和牵引器井下工作过程中的仿真试验数据,验证了结构与机构优化参数的合理性。根据优化计算取得的机构设计参数制造牵引器物理模型,模拟工况环境建立实验装置开展实验研究。建立支撑力、牵引力和扶正力测量实验装置,对牵引器主要机构进行动力学实验研究,验证了支撑锁紧机构的锁止能力和扶正机构的扶正能力,得到了液压系统压力值与负载之间的关系及扶正机构受力轴向长度增量。建立直井段牵引器越障实验台,对牵引器行走越障情况及油、砂介质下的牵引力变化情况进行了研究,得到了各种障碍下的牵引力变化曲线。通过实验,验证了理论计算和仿真试验结果。