作为油气工业设备,水平井爬行器可以装备不同测井仪器进入长水平井段完成井下环境采样及检测,其优秀表现得到社会广泛认可。依托四川省国际合作项目关于“页岩气长水平段旋转式井壁取芯机器人研究”,针对川渝地区页岩气长水段井下入困难问题,设计一种具有水平井爬行功能的井下爬行取芯机器人,解决川渝地区长水平井段取芯仪器送入问题。围绕水平井爬行器机械系统中的关键机构,采用设计、优化与仿真结合的方法对其进行研究。分析爬行器工作环境,确定爬行器在水平井中所受阻力,依据总体要求,对爬行短节进行传动设计及力学分析,完成爬行机构整体设计;再对扶正短节进行方案选择,确定动力输入方案;针对爬行器工作要求,提出新型推靠锁紧短节,完成力学分析及动力方案选择;提出一种转向节机构作为爬行器串联关节,实现爬行器模块连接功能。在爬行器关键机构尺寸设计的基础上,对爬行器进行优化设计。建立爬行轮正压力与爬行臂长度的函数关系、爬行臂伸出速度与其长度函数关系,使用正交试验分析方法与多目标优化理论,对爬行短节各结构完成优化设计及三维建模;建立推靠锁紧短节位移与尺寸函数关系,优化支撑臂结构尺寸;针对水平井圆弧问题,设计一种弧形锁紧块,完成支撑锁紧短节三维建模;对转向节进行干涉分析,确定转向节工作空间对爬行器过弯能力的影响,并完成转向节三维建模。利用ANSYS Workbench对转向节进行有限元分析,得到转向节应力薄弱点并进行改进设计,对改进后模型再次进行分析,结果表明应力集中减小,改进后整体应力减小22.32%,整体变形量减小23.39%;针对井下高温高压问题,采用滑环组合密封与O型圈密封结合方式,利用有限元方法对滑环组合密封进行分析,结果显示外界压力增大,密封应力也增大,但其整体应力小于滑环材料许用应力,此时滑环密封处于安全状态,密封效果较好。使用Solidworks模拟实际工况建立水平井三维模型,利用ADAMS虚拟样机仿真技术开展爬行器在水平井中的运动仿真分析,完成爬行器遭遇凸台、凹槽、弯曲井壁等障碍物时的运动仿真试验,结果表明爬行器能够有效通过各种障碍物,支撑力、扶正力波动幅度较小,在各障碍物影响下能够稳定运行,运动性能较好。