我国是水果生产和消费大国,果树种植面积和果品产量均居世界第一位。苹果是我国的优势水果之一,近年来种植面积逐步扩大,产量稳步增加。苹果树施肥是果园管理中的关键作业环节,施肥质量直接影响果树养分的吸收,合理施肥是保证苹果树丰产、稳产和增产的重要措施。果园开沟施肥机能够一次完成开沟、施肥、覆土等作业流程,与传统人工开沟施肥相比,其效率高、成本低、施肥效果好。开沟装置作为主要工作部件,其性能直接影响开沟作业质量。机架作为主要承载部件,动态作业稳定性影响开沟作业性能。果园开沟施肥机结构复杂、工作环境恶劣、运动特性多样化等因素,导致开沟作业存在开沟深度稳定性差、沟底宽度一致性差、覆土率低等问题,直接影响果园开沟作业质量以及果树的产量。目前国内外对果园开沟相关研究主要集中在仿生开沟器、土壤扰动分析、开沟功耗、土壤切削速度、开沟装置的设计、土壤运动分析等方面。本论文设计了双圆盘式开沟装置;建立了土壤-开沟装置的离散元模型;探究整机作业工况下开沟装置参数对开沟深度稳定性、沟底宽度一致性、覆土率的影响规律,并对试验因素进行了综合优化;通过动力学分析,结合果园开沟施肥的农艺要求,利用多目标遗传算法及响应曲面法,优化了机架的结构。通过田间试验对改进优化的装置进行了验证。主要的研究工作如下:（1）设计了一种双圆盘式开沟装置。通过对开沟装置的受力分析、运动分析,建立了开沟刀片端点运动参数方程,分析出影响开沟作业的因素,确定了开沟刀的类型及旋转开沟方式,结合果园开沟施肥的农艺要求,计算出开沟传动箱传动比为2.15,每个刀盘开沟刀数量为8把,沿刀盘均匀对称布置,开沟刀盘直径为320mm,开沟刀最小转速为230r/min。（2）利用离散元仿真方法,探究各因素对果园开沟性能的影响规律。开展果园开沟施肥机作业参数优化试验,研究整机作业工况下开沟装置作业参数对开沟深度稳定性、沟底宽度一致性、覆土率的影响规律。应用Box-Behnken试验设计方法,以前进速度、开沟刀转速、开沟刀偏转角为试验因素,以开沟深度稳定性、沟底宽度一致性、覆土率为试验指标,对果园开沟施肥机作业的参数进行试验研究,建立了试验指标与试验因素之间的回归模型,分析了各因素对试验指标的影响,并对试验因素进行了综合优化,获得最佳作业参数为:前进速度为0.8m/s、开沟刀转速为348r/min、开沟刀偏转角为32°,此时,开沟深度稳定性达到98.33%、沟底宽度一致性达到96.32%、覆土率达到81.53%。（3）采用多目标遗传算法及响应曲面法,优化果园开沟施肥机机架。建立果园开沟施肥机机架的参数化模型及有限元模型;通过模态分析,得出机架的固有频率及振型,研究其对整机动态性能的影响,将一阶模态频率设定为目标函数;通过机架灵敏度分析,得到各杆件厚度对一阶模态频率的灵敏度,将高灵敏度杆件的厚度设定为设计变量,将其厚度变化范围设定为约束条件。根据现代农机结构轻量化设计的要求,将机架的质量也作为目标函数。以目标函数、设计变量、约束条件为基础,构建机架多目标优化的数学模型。基于Hammersley抽样方法,进行试验设计,并拟合出对应响应面。最后利用多目标遗传算法完成机架结构优化。优化结果表明,优化后的果园开沟施肥机机架第一阶模态频率由原来的35.39Hz提高到38.31Hz,提高了8.25%,且远离拖拉机的输入频率35Hz;质量为389kg,满足在提升一阶模态频率下,质量最小的要求。（4）田间试验结果表明:优化开沟装置及机架后的苹果园开沟施肥机,开沟深度稳定性系数、沟底宽度一致性系数、覆土率分别不小于95.36%、96.27%、80.64%。苹果园开沟施肥机开沟作业后的开沟深度、沟底宽度、覆土率相关测量均满足国标要求。