我国是世界上茶园种植面积最大的国家,且超过60%的茶园分布在丘陵山区。然而我国茶园机械化管理水平比较低,特别是丘陵山区茶园基本无法实现机械化管理,耕地、开沟、施肥、覆土、除草、喷药等作业全部依靠人工完成,不仅劳动强度大,作业效率低,而且随着劳动力成本的不断的提高,极大增加了茶叶生产成本。实现丘陵山区茶园管理机械化的关键在于研制适合我国丘陵山区茶园地形地貌的多功能茶园管理机移动平台。国内外关于集耕地、开沟、施肥、覆土、除草和喷药等于一体的适用于我国丘陵山区的多功能茶园管理机移动平台的相关研究非常有限。本文通过查阅大量相关文献,并结合目前我国丘陵山区茶园管理的实际情况,深入调查、了解茶园管理者的实际需求,研制开发一款能够在丘陵山区茶园实现耕地、除草、开沟、施肥、覆土和喷药功能的茶园管理机多功能移动平台。在对移动平台的结构和工作原理进行分析研究的基础上,结合理论分析、计算机仿真及试验研究等方法,完成茶园管理机移动平台的研制,并进行田间试验验证。主要研究内容如下:(1)结合丘陵山区茶园实际条件和农艺要求,考虑多功能茶园管理机在田间的通过性、动力性以及农机具适配性等因素,研制开发适用于丘陵山区,能够搭载不同作业农机具进行田间作业的低地隙自走式多功能移动平台,实现“一机多用”功能。该移动平台高度750mm~950mm可调,宽度385mm,长度1330mm,以2.2kW的汽油发动机和12V蓄电池提供动力。(2)根据移动平台实际受载情况建立移动平台力学分析方程组和高效的有限元分析模型,并对有限元分析模型加载其实际工况下的载荷和约束条件。利用有限元分析软件ANSYS workbench对移动平台进行静力学分析。分析移动平台在最大负载工况下的静力学特性,探究移动平台等效应力和变形量,其中最大等效应力为87.87MPa,最大变形量为7.773mm,安全系数为2.67,仿真分析表明移动平台满足刚度和强度的设计要求,但存在较大材料冗余,具备优化空间。(3)应用ANSYS workbench对移动平台进行优化设计,通过拓扑优化改善移动平台的整体结构,减轻了移动平台质量。选取移动平台的7个设计参数进行多目标优化,确定优化后的移动平台具体尺寸参数,并对优化后的移动平台进行力学特性分析。移动平台经两级优化后的质量下降31.2%,最大变形量降低7.9%,安全系数为1.57,经过优化后的移动平台符合设计预期。(4)对移动平台进行模态分析,通过理论计算得到移动平台外部激励频率分别为0.16~1.56Hz、5.67Hz。对优化后的移动平台固有频率进行仿真分析,得到其前六阶固有频率分别为11.98Hz、19.98Hz、36.91Hz、61.40Hz、86.64Hz、87.20Hz。分析可得移动平台的固有频率与其外部激励并不相同且相近,表明移动平台模态性能良好,不易产生共振现象。(5)样机制造与试验。试制移动平台,组装整机。通过仿真优化设计将移动平台质量由9.24kg降为6.54kg,对优化后的移动平台进行试制,结果表明,优化后的移动平台质量为6.97kg与仿真分析结果相差6.6%,属于合理的误差范围之内。组装整机,通过更换不同农机具进行田间行走试验,试验结果表明移动平台在耕整、除草、和开沟施肥模式下,最快行驶速度为0.98m/s,符合设计要求,行驶过程中振动特性良好,易操控。对移动平台进行除草、开沟和耕整田间性能试验,试验结果表明,移动平台除草作业效果显著;开沟作业下的开沟宽度为198mm,深度为177mm,开沟深度稳定性系为86.4%;耕整作业下的耕宽为607mm,深耕、中耕和浅耕的耕深分别为198mm,122mm,96mm,耕深稳定性系数分别为87.6%,85.6%,82.8%。根据2017年12月农业部办公厅《关于印发茶园机械化生产技术指导意见的通知》中对茶园施肥和耕整要求,以及实际除草效果,表明茶园管理机移动平台除草、开沟和耕整作业基本满足丘陵山区茶园管理农艺要求。