针对现有水平井轮式牵引器存在的牵引力不足、齿顶磨屑排出不及易加剧磨损、齿面残留磨屑容易划伤齿面及越障性能差等问题,设计了一种牵引能力和越障能力更强、脱黏减附性能优良、更耐用的仿生轮式牵引器来改善上述问题,并对轮式牵引器的运动摩擦特性进行研究分析,运用模拟退火算法对轮式牵引器牵引机构进行尺寸优化,从增大犁沟摩擦系数和提高滚动轮正压力两个层面提高轮式牵引器的牵引能力和越障性能。本文首先根据仿生学原理对轮式牵引器驱动轮进行设计,提出以蛤蜊和毛蚶为仿生原型,并对其表面形态所具有的独特特征展开分析研究,明确将凸球型、矩型和柱型耦元应用在现有牵引器驱动轮中,能够在一定程度上延长滚动轮的使用寿命,改善滚动轮的脱黏减附性能、耐用性能和牵引越障性能。其次,根据黏着理论建立轮式牵引器的轮壁接触模型,推导出犁沟摩擦系数计算表达式,通过数值模拟分析耦元体直径、嵌入深度与犁沟摩擦系数之间的关系,分析结果表明:均布的球体结构最大犁沟摩擦因数为0.424,柱体结构的犁沟摩擦因数恒大于方形结构,且当楔深为0.2mm时,仿生耦合驱动轮犁沟摩擦系数为2.5,传统驱动轮的最大犁沟摩擦系数为1.6,仿生耦合驱动轮相比传统驱动轮牵引能力可提高89%。之后,在有限元软件Workbench中设定轮壁接触条件为摩擦接触进行仿真分析,研究仿生耦合驱动轮的运动摩擦特性,并与常规驱动轮进行模拟对比,模拟结果表明:在同正压力条件下,仿生驱动轮既不会对管壁造成破坏也不会影响套管的后续使用,并且在压入方向能够产生更大的变形,因此相比常规驱动轮更易获得较大牵引力。最后,根据牵引机构实体建立它的越障力学模型,通过模拟退火算法编程求解得到牵引机构的最优尺寸解,并将最优尺寸与优化前的尺寸进行对比计算,结果表明:牵引机构尺寸优化之后达到相同的牵引力所需要的推力减少了11.96%,因此在相同的推力条件下,尺寸优化后的牵引机构牵引特性更为优良。