農業拖拉機關鍵技術發展現狀與展望

謝 斌 武仲斌 毛恩榮

(中國農業大學現代農業裝備優化設計北京市重點實驗室， 北京 100083)

0 引言

隨著我國城市化進程的加快，大量農村勞動力發生轉移，發展以現代化農業生產機械為主體的智能化、規模化的生產模式成為當務之急；同時，能源緊缺、環境污染形勢嚴峻，導致現代農業生產對低/零排放、少/無污染、低噪聲的綠色動力農機的需求愈來愈迫切。在這樣的新形勢和新背景下，我國提出了《中國制造2025》實施綱要[1-2]，智能農機裝備被列為重點發展的十大領域之一；在“十三五”科技發展規劃中[3]，農業機械的現代化、智能化和規模化也被列入重點研發計劃之中。

作為最主要的農業動力機械，農業拖拉機所面臨的作業種類包括牽引、懸掛并驅動各種配套農機具，完成耕、耙、播、收等多種農田作業、運輸作業和固定場地作業，作業環境復雜、作業種類繁多、作業負載多變。因此，拖拉機的技術發展水平在很大程度上體現著一個國家的農業現代化程度和農業機械化發展水平，世界農業強國均將拖拉機作為農機工業的核心。

農業拖拉機是一種移動式農業動力機械，按照功率大小不同[4]，其可分為小型(小于等于22 kW)、中型(22～74 kW)、大型(74～147 kW)以及重型拖拉機(大于等于147 kW)。近年來，圍繞“高效、智能、環保和信息集成”4個方面，農業拖拉機在動力、傳動、行走、液壓、懸掛、駕駛舒適性、物聯網及綜合服務/管理平臺等多個領域都取得了長足發展。在動力系統方面，國外柴油機排放法規已全面進入第Ⅳ階段，單純依靠機內凈化已不能滿足日益嚴格的排放要求，輔以各種機外尾氣后處理方案的組合型排放控制系統開始出現在國外各大主流機型上。而國內則正處在國Ⅲ階段，主要通過機內凈化和油品的改善來應對排放要求[5-9]。此外，動力系統開始嘗試探索高比能量動力蓄電池、甲烷等新型動力技術，有部分采用動力電池的機型甚至已進入小規模量產，如Fendt e100 Vario，John Deere SESAM等[10-11]；傳動系統方面的進步主要體現在動力負載換擋和CVT無級變速傳動技術的進一步普及上，尤其是無級變速傳動技術，不僅是農業拖拉機變速傳動系統發展的必經階段，更是實現拖拉機整機電液化、智能化、自動化的關鍵技術，在提高拖拉機自動化水平、整機動力性、經濟性和舒適性、簡化駕駛操縱程序和減輕勞動強度等多方面具有重要意義[12-14]；行走轉向系統主要圍繞輪胎胎壓控制、橡膠履帶/半履帶式行走機構展開研究，以進一步減小接地比壓及滑轉損失，提高牽引效率和整機通過性[15-19]；在液壓動力輸出方面，多點高精度輸出、負載傳感壓力補償等技術大大提高了液壓輔助系統的安全性、操控性、適用性和經濟性[20-21]；而對于液壓懸掛系統，電控提升懸掛已基本成為國內外大中功率拖拉機的標準配置，且大多同時配有前液壓輸出、前懸掛和前動力輸出，大大方便了農機具的掛接和日益增加的各類農機具的配套應用[22-23]；在駕駛舒適性方面，人機工程設計理念體現的越來越充分，除采用主、被動懸架以減少振動外，懸浮駕駛室、懸浮座椅、360°駕駛室增視系統、人機交互觸摸顯示屏等人性化設計成為改善整機舒適性的重要方面[24-27]；此外，隨著互聯網技術的迅猛發展，集農業信息感知、數據傳輸、云平臺管控于一體的農業物聯網技術逐漸成為研究熱點[28-33]，這標志著以模型驅動業務、設備管理設備、人-設備-農場無縫連接的全新生產模式成為未來農業機械發展的趨勢。

本文在分析國內外農業拖拉機技術概況的基礎上，闡述歸納拖拉機在動力系統、傳動系統、液壓系統、電控系統以及整機信息化方面的最新研究進展，分析各系統相關技術的基本工作原理、特點及典型應用，并在此基礎上，結合我國國情，展望農業拖拉機未來發展趨勢，以期為我國拖拉機技術革新提供參考。

1 拖拉機動力系統研究進展

柴油機因熱效率高、能量利用率好、動力性強等，被廣泛應用在各種農業動力機械上，據統計[34]，柴油機占到各種農業動力機械動力源的95%以上。采用先進技術的柴油機，升功率可達到30～50 kW/L，扭矩儲備系數可達到1.35以上，最低油耗可達到198 g/(kW·h)，標定功率油耗可達到204 g/(kW·h)。

1.1 柴油機排放法規實施情況

柴油機因其固有的燃燒方式而導致排放物中有較高含量的顆粒物(PM)和氮氧化物(NOx)等污染物。當前，國際上參照的農業機械排放法規主要以歐盟體系和美國體系為主，兩種體系的排放限值均依據功率來劃分檔次，不同功率擋次的發動機排放限值、實施日期不同。表1、2分別給出了兩種體系下一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化合物(NOx)和顆粒物(PM)的限值，有時給出NOx和HC排放之和的限值。其中，歐盟體系采用 StageⅠ，Stage Ⅱ， Stage ⅢA， Stage ⅢB，Stage Ⅳ和最新的Stage Ⅴ來劃分不同的排放階段[35-36]；而美國則采用Tier Ⅰ～Tier Ⅲ、Tier iⅣ和Tier Ⅳ來劃分不同的排放階段[7-8]，顯然，大功率發動機排放限值較嚴，而小功率發動機的排放限值較松，這與發動機的實際排放狀況和技術水平一致，比較科學合理。同時，由法規實施進度可以看出，歐盟目前的農業機械排放控制的實施階段是Stage Ⅳ，而美國也已進入Tier Ⅳ階段。由指標限制值可以看出，第Ⅲ階段主要以降低顆粒物(PM)排放為主，而第Ⅳ階段則主要以大幅度降低氮氧化合物(NOx)排放為主。

中國、日本、印度及俄羅斯等國家都有各自的排放法規體系，表3給出了中國農業機械在各個階段的排放法規限值以及實施歷程，其分為第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ共4個階段，相關排放法規主要有GB 20891—2007《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅰ、Ⅱ階段)》[37]和GB 20891—2014 《非道路移動機械用柴油機排氣污染物排放限值及測量方法(中國第Ⅲ、Ⅳ階段)》[38]，從表3中可以看出，中國農業機械工業目前正全面處于“國Ⅲ”時代，而第Ⅳ階段標準的實施日期尚未確定。

表1 歐盟農業機械排放法規各階段的限值及實施歷程(NOx/HC/CO/PM和(NOx+HC)/CO/PM) Tab.1 EU agricultrual machinery emission regulations at various stages of limits and implementation (NOx/HC/CO/PM, (NOx+HC)/CO/PM) g/(kW·h)

注：Ⅰ表示Stage Ⅰ限值，Ⅱ表示Stage Ⅱ限值，ⅢA表示Stage ⅢA限值，ⅢB表示Stage ⅢB限值， Ⅳ表示Stage Ⅳ限值。

表2 美國農業機械排放法規各階段的限值及實施歷程(NOx/HC/CO/PM和(NOx+HC)/CO/PM) Tab.2 US agricultrual machinery emission regulations at various stages of limits and implementation (NOx/HC/CO/PM, (NOx+HC)/CO/PM) g/(kW·h)

注：Ⅰ表示Tier Ⅰ限值，Ⅱ表示Tier Ⅱ限值，Ⅲ表示Tier Ⅲ限值，iⅣ表示Tier iⅣ限值, Ⅳ表示Tier Ⅳ限值，a表示“如果制造商產品從2012年起達到0.03 g/(kW·h)的PM標準，則此處限值為0.4 g/(kW·h)”。

表3 中國農業機械排放法規各階段的限值及實施歷程(NOx/HC/CO/PM和(NOx+HC)/CO/PM) Tab.3 China agricultrual machinery emission regulations at various stages of limits and implementation (NOx/HC/CO/PM, (NOx+HC)/CO/PM) g/(kW·h)

注：Ⅰ表示第Ⅰ階段限值，Ⅱ表示第Ⅱ階段限值，Ⅲ表示第Ⅲ階段限值，Ⅳ表示第Ⅳ階段限值。

1.2 柴油機排放控制技術

降低農業機械污染排放技術路線主要有機內凈化技術、機外排氣后處理技術以及二者的組合技術[39-43]。其中，機內凈化措施一般包括電控共軌、增壓中冷、廢氣再循環(EGR)等，而機外后處理技術則有氧化催化轉化(DOC)、顆粒捕捉(DPF)、選擇性催化還原(SCR)等。隨著農業機械排放法規的日益嚴格，需將各項單一技術路線組合起來，以滿足各國不同階段的排放限值法規要求。

(1)燃油共軌直噴與四氣門技術

燃油共軌直噴是將燃油壓力的產生與噴射過程完全分離的一種供油方式[44-45]，其特點是噴油壓力的建立與噴油過程無關，噴油壓力、噴油過程和噴油持續期不受柴油機負荷和轉速的影響，且噴油定時與噴油計量可獨立控制，可自由地調整每個汽缸的噴油量和噴油起始點。而“二進二排”四氣門結構，既可提高充氣效率，同時由于噴油嘴居中布置，使多孔油束均勻分布，為燃油和空氣的良好混合創造了條件，這些因素的協調配合，使得混合氣的形成質量(品質)大大提高，有效降低了碳煙顆粒、HC和NOx的排放，提高了熱效率。

(2)電控噴射技術

電控噴射技術是目前國外降低柴油機排放的重要措施之一[44-45]，其可實現高壓噴射(120～200 MPa)，噴射壓力可比一般直列泵系統高出一倍，最高甚至達到200 MPa，這使得燃油噴霧液滴進一步細化，與空氣的接觸面積增大，從而促進燃油與空氣的充分混合，一定程度上減少了燃燒過程PM的生成。此外，電控噴射還有諸多優點，如噴射壓力獨立于發動機轉速，有利于改善發動機低速、低負荷時的扭矩特性；可實現預噴射，噴油速率、形狀可調節，噴油定時和噴油量可自由選定，從而使燃燒過程得以優化，發動機油耗、煙度、噪聲和排放等性能指標得到明顯改善。

(3)增壓中冷技術

采用渦輪增壓增加柴油機的空氣量，可提高燃燒的過量空氣因數，是降低大負荷工況排氣煙度、PM排放量以及燃油消耗的有效措施，但是增壓會導致壓縮后期氣缸溫度的提升，缸內最高燃燒溫度上升，造成NOx生成量增加[46]。通常，采用增壓加中冷的方法，即將新鮮空氣通過增壓器中段冷卻，再沖入氣缸，這樣可使增壓空氣溫度下降到50℃以下，進而使氣缸壓縮行程后期工作循環溫度下降，減少NOx生成量[47]，故目前重型車用柴油機普遍采用增壓中冷型，有助于低排放而且燃油經濟性良好。此外，渦輪前排氣旁通閥的應用，不僅能降低PM和CO排放，還可改善渦輪增壓柴油機的瞬態性能和低速扭矩。

(4)廢氣再循環(EGR)技術

EGR技術是將柴油機少量廢氣送回進氣系統，如圖1所示，以降低混合氣氧濃度、提高惰性氣體量，從而降低缸內混合氣燃燒速度及燃燒溫度，最終達到抑制NOx生成[46]的目的。值得注意的是，EGR在降低NOx生成量的同時，PM生成量會增加[48]。

圖1 廢氣再循環示意圖 Fig.1 EGR structure diagram 1.傳感器 2.真空軟管 3.冷卻液 4.排氣 5.進氣 6.溫度傳感器 7.引入燃燒室的部分廢氣 8.EGR閥

(5)氧化催化轉化技術(DOC)

DOC是農業機械最常用的排氣后處理催化器之一，如圖2所示，其可將農業機械柴油機排氣成分中的 CO、 HC 和 NO 氧化，釋放熱量，提高排氣溫度，并通過氧化PM中的可溶性有機物(POC)去除部分PM[49]。為使凈化效果最佳，在采用DOC技術時，一般要求柴油燃料的含硫量較低，并要保證柴油機運行工況、催化劑及載體、DOC形狀以及入口溫度等保持正常。目前，DOC已被廣泛應用在農業機械上，以滿足最新排放法規要求。

圖2 氧化催化轉化示意圖 Fig.2 DOC structure diagram 1.DOC氧化催化 2.POC微粒氧化催化 3.DOC出口 4.DOC入口

(6)顆粒捕集技術(DPF)

DPF是凈化柴油機顆粒物(PM)排放最關鍵的后處理裝置，并已得到廣泛研究和應用[50-51]，其一般結構如圖3所示。當排氣通過 DPF 時，先由DPF的濾芯捕集PM，其濾芯材料主要有陶瓷基、金屬基和復合基3大類。其中，陶瓷基過濾材料應用范圍最廣。基于不同的材料特性，過濾器類型有壁流式蜂窩陶瓷過濾體、泡沫式過濾體、金屬絲網過濾體、陶瓷纖維過濾體和直流式過濾體等，其中，壁流式蜂窩陶瓷過濾體應用范圍最廣，它通過擴散、攔截、慣性碰撞和重力沉降4種機理對 PM 進行捕集，其典型結構和捕集機理如圖4所示。據研究，DPF 對 PM 綜合捕集效率在90%以上[52]。

圖3 顆粒捕集結構示意圖 Fig.3 DPF structure diagram 1.壓力傳感器 2.溫度傳感器 3.DPF過濾的尾氣 4.殼體 5.尾氣

圖4 DPF典型結構及PM搜集機理示意圖 Fig.4 DPF typical structure and PM capture mechanism diagram

(7)選擇性催化還原技術(SCR)

SCR是針對柴油車尾氣排放中NOx的一項處理工藝，即在氧濃度高出NOx濃度2個數量級以上時，高選擇性地優先把尾氣中的NOx還原成N2和H2O。催化劑有貴金屬和非貴金屬兩類，而還原劑一般有NH3、HC以及H2等，其中，NH3-SCR應用范圍最廣[53]。由于NH3是一種具有強烈刺激性氣味的氣體，不便于直接應用于SCR 催化器，且不便于儲存運輸，故在實際應用時往往以尿素溶液的方式向排氣管中噴射，以供反應之需[54]。SCR 系統的一般結構形式如圖5所示。該技術也被廣泛應用于柴油機尾氣后處理，通過優化噴油和燃燒過程，盡量在機內控制微粒PM的產生，而后在機外對富氧條件下形成的氮氧化物(NOx)進行選擇性催化還原，既節能、又減排。

圖5 SCR系統一般結構 Fig.5 General structure of SCR system

(8)排放控制的組合路線

排放控制的組合路線是指將機內凈化技術和機外排氣后處理技術中的兩種或多種單項控制手段進行合理組合，實現更為理想的排放效果，以滿足日益嚴格的農業機械排放法規。較為典型的組合路線為“DOC+POC/DPF+SCR”，如美國約翰·迪爾公司采用的整體集成式排放控制系統JDPS(John Deere power system)，即采用“DOC+DPF+SCR”路線，可滿足美國Tier Ⅳ/歐盟Stage Ⅳ標準；德國道依茨公司也推出了各型號農業機械柴油機在歐盟Stage Ⅳ階段的排放控制系統，其中，只有TCD3.6 系列采用“DOC+顆粒氧化催化(POC)+SCR”路線，之后的系列已全部采用“DOC+顆粒捕捉(DPF)+SCR”。中國目前農業機械排放控制尚處于國Ⅲ階段，僅通過油品技術和機內凈化技術即可滿足排放限值要求，表4給出了玉柴動力機械有限公司(玉柴)和一拖(洛陽)柴油機有限公司(洛拖)在國Ⅲ階段各個功率段采用的典型排放控制組合路線[55-56]。

1.3 發動機輔助節能技術

(1)低轉速發動機

對于傳統拖拉機用柴油發動機，其額定轉速一般在2 200～2 500 r/min，而低轉速發動機是指額定轉速明顯低于傳統發動機額定轉速的新型發動機。以芬特Fendt 1000 Vario配置的排量為12.4 L的低速發動機為例，其外特性如圖6所示，額定轉速從傳統的2 200 r/min降至1 700 r/min，正常工作轉速范圍為650～1 700 r/min。低速發動機具有諸多優勢，就經濟性而言，低速發動機的低油耗區域較傳統發動機面積更大，且與之匹配的傳動系統的機械損耗因轉動速度的降低而隨之下降，傳動系統效率得以提升。此外，由于轉速的降低，發動機擁有更大的儲備轉矩且噪聲低，振動小，變速箱擋位數變少，同時，由于活塞運行的線速度、曲軸連桿系、齒輪系和皮帶系的運動速度相應降低，改善了發動機的可靠性。

表4 玉柴和洛拖滿足農業機械國Ⅲ排放標準的組合技術路線 Tab.4 Combined technology routes of Yuchai and Luotuo engines to meet China Ⅲ emission standard of agricultural machinery

圖6 芬特1000 Vario型低速發動機外特性 Fig.6 Fendt 1000 Vario low-speed engine external characteristics

(2)電控硅油風扇

電控硅油風扇，屬于硅油離合器型式的冷卻風扇，但其與傳統的開關型硅油離合器風扇不同，電控硅油風扇的離合器開度可由電子控制單元(ECU)進行精確控制，即ECU采集發動機轉速、散熱器水溫、風扇轉速等信號，經綜合處理后，計算出相應的目標轉速，并輸出脈沖指令到風扇的電磁線圈，實時調節風扇離合器開度，以使風扇實際轉速達到目標轉速，這種調節方式相比于傳統冷卻方式更加精準、迅速，因而也能更好地適應復雜工況下整機對風量及噪聲特性要求的變化[57]。

(3)液壓驅動式冷卻風扇

液壓驅動式冷卻風扇的工作原理是，發動機冷卻風扇由柱塞式液壓泵和液壓馬達獨立驅動，ECU根據系統溫度實時調節液壓泵的排量，從而實現對系統溫度的自動連續控制[58]，因此，液壓驅動式冷卻風扇同樣具有良好的散熱性能，且可有效降低風扇的運轉噪聲，但缺點是結構復雜，成本較高。表5給出了幾種冷卻系統的綜合性能對比情況[59]。隨著農業拖拉機節能環保要求的不斷提高，冷卻風扇的驅動方式必將由傳統驅動方式向著更加智能、環保、節能的驅動方式發展。

表5 發動機冷卻風扇性能對比 Tab.5 Performance comparison of engine cooling fans

1.4 新能源技術

(1)純電動拖拉機

現代農機裝備是現代農業的重要支撐。現代農業新業態、農業生產新模式對生態、節能、環保提出了越來越高的要求。當前，設施農業、生態農業、庭院農業等特殊農業生產環境對零排放、無污染、低噪聲的綠色動力農機具需求越來越迫切，高效智能環保農業動力機械已成為全球農機科技創新的主攻方向。電動拖拉機作為零排放、無污染、低噪聲的綠色動力機械，作業時噪聲小，駕駛員工作環境舒適，特別適用于溫室大棚、庭院維護、草坪修剪等作業場所，因而將成為現代農業拖拉機進一步發展的重要途徑之一，同時它也代表了農業機械領域新能源技術的發展方向。

20世紀70年代，美國 General Electric公司推出了Elec-Trak系列電動拖拉機[60](圖7a)，由6組鉛酸電池供電，采用永磁無刷直流電機，功率范圍6～11 kW。美國Allis-Chalmers公司推出的電動拖拉機采用燃料電池，共有1 008塊，功率為14.7 kW。美國Gorilla Vehicles公司生產的e-ATV系列電動拖拉機，由3～4個8 V/125 A·h的閥控鉛酸電池供電，由直接安裝在后橋上的直流牽引電動機進行驅動，不需要離合器，由智能控制器完成控制，實現無級變速。加拿大Electric Tractor公司生產的Electric Ox2電動拖拉機(圖7b)，其由6組深放電鉛酸電池供電，采用了獨特設計的雙電機/齒輪箱機構、電子差速器等先進設備，具有制動能量回收功能。Hossein Mousazadeh(2011)研發了太陽能輔助插電式電動拖拉機(SAPHT)。2017年2 月，美國John Deere公司在法國農牧業展覽會上推出純電動拖拉機SESAM(圖7c)，功率264 kW，可持續作業4 h，配備兩組可提供130 kW·h的鋰離子電池組，其中一組為行走供電，另一組為 PTO 供電，必要時可將兩塊電池連接使用，提供更大功率。2017年9月，芬特 Fendt公司在漢諾威國際農機展展出了e100 Vario電動拖拉機(圖7d)，搭載容量100 kW·h的650 V鋰離子電池，輸出功率為50 kW，可持續作業5 h，充電80%只需40 min。

圖7 純電動拖拉機 Fig.7 Pure electric tractors

我國對電動拖拉機的研究相對較晚，進入21世紀后，隨著電控、新能源和電機等相關技術的快速發展，南京農業大學、河南科技大學、西北農林科技大學、中國農業大學、江蘇大學等院校從不同角度開展了電動拖拉機研究，取得了初步研究成果[61-66]。如江蘇大學開展了履帶式單電機驅動的電動拖拉機控制策略研究。南京農業大學基于小型四輪拖拉機設計了單電機驅動拖拉機，并研究了驅動控制策略。中國農業大學開發了單電機驅動的電動拖拉機樣機，基于myRIO開發了驅動控制器。西北農林科技大學、中國一拖集團有限公司、天津拖拉機廠等開發了電動拖拉機樣機。

綜合國內外電動拖拉機研發情況，當前，全球用于田間作業的電動拖拉機產品還不夠成熟，國內多數處于樣機試制階段，國外也僅有小批量生產。不考慮動力電池和電機對電動拖拉機發展的限制，電動拖拉機本身也還存在很多科學技術難題亟待解決，如電動拖拉機工作特性與電機外特性匹配設計、動力系統參數匹配與控制，整機能量管理及控制、整機功率優化匹配等，都有待進一步深入研究。

(2)生物甲烷動力拖拉機

生物甲烷是一種用生物氣制造提取出的高熱值甲烷，是一種完全可再生，并且隨時可用的低碳型替代燃料。在農業生產活動中，采用生物甲烷替代傳統化石燃料的理念和宗旨在于提供未來農場能夠完全能源獨立、滿足自身甚至當地社區的所有燃料和能源需求的可持續解決方案。

在農場中，農場經營者是生物甲烷生產原料和生產空間的天然擁有者，因而，生物甲烷特別適合農業機械在農場中使用。生物甲烷可用專門種植的能源作物混合物生產，也可以通過液體及固體形式的植物或食品廢料生成，如圖8所示。該原料可從田地里收割或在農場、其他來源(如食品廠、超市、飯館和餐廳)進行收集，喂入沼氣池。在沼氣池無空氣條件下，材料被加熱并隨著其被細菌消化，開始生物分解，這一過程類似堆肥堆。在持續約60 d的兩階段發酵過程中，其釋放出生物氣體，包括生物甲烷。生物氣體最終被提純以生產出燃料級生物甲烷，之后可為拖拉機等農業機械提供動力。不僅如此，生物甲烷還可以燃燒發電，滿足農場建筑物和其他生產企業的用電需求，若能源充足，它還可被輸入天然氣管道以滿足民用需求，或以電能的形式送入國家電網，形成一個真正良性的循環。

圖8 農場生物廢料 Fig.8 Farm biological waste

凱斯紐荷蘭工業集團是天然氣動力車輛的倡導者，圖9是其旗下的紐荷蘭公司開發出的甲烷動力概念拖拉機，其所用生物甲烷燃料可完全由農場的生物廢料產生、提取，提純后的甲烷燃料被儲存在位于拖拉機前部左右兩側、造型流暢的兩個氣罐內，一次充氣即可為拖拉機進行全天農場作業提供充足的動力。同時，拖拉機使用單一噴嘴，加注燃料時的操作、時間消耗與傳統柴油拖拉機相近，但可節省燃料25%，污染排放量下降80%，是一項極有前景的新能源技術。

圖9 甲烷動力拖拉機 Fig.9 Methane powered tractor

2 拖拉機變速傳動技術發展現狀

2.1 發展歷程

在世界范圍內的拖拉機發展歷程中，拖拉機變速傳動技術的變革大致經歷了滑動齒輪換擋、嚙合套和同步器換擋、區域動力換擋、全動力換擋以及機械液壓雙流無級變速傳動幾個階段，其中，滑動齒輪換擋階段結束于20世紀50年代末；至70年代時，嚙合套和同步器換擋方式已經發展成熟，但其最大的不足在于作業過程中換擋時的動力中斷問題，這使得拖拉機的作業效率大打折扣；為此，出現了采用換擋離合器摩擦傳動的動力換擋變速箱，一開始是雙速動力換擋，如1969年福特的Dual Power變速箱和1972年約翰迪爾的Quad Range變速箱，接著是3速、4速以及6速區域型動力換擋，如ZF公司的T7200和T7300變速傳動系，到20世紀90年代時，區域動力換擋傳動系發展成熟，傳動系的進一步發展方向是全動力換擋變速箱和機械液壓雙流傳動(HM-CVT)的傳動系；目前，全動力換擋技術以及無級變速傳動技術已經成熟，但其核心基本被Fendt、ZF、STEYR、John Deere等少數幾大國外企業壟斷[67-68]。

2.2 配置情況

從不同功率段的配置情況來看，40 kW以內的中小功率拖拉機受成本控制約束，多采用同步器換擋，部分機型有時還會采用靜液壓驅動方式；40～70 kW功率段附近的部分中等功率拖拉機已經開始配置機械液壓無級變速器(HM-CVT)，如Fendt的300 Vario系列，但同步器換擋方式仍然是該功率段內變速器的主要形式；對于70～265 kW范圍內的大中功率拖拉機，帶有動力換向的動力換擋變速器和機械液壓無級變速器具有非常好的性價比，因而是該功率段內變速箱的主流配置，其中，動力換擋變速箱由于結構復雜成本高，更傾向于被140 kW以上的機型選用，且其功率適用范圍已不斷擴展至735 kW，如Massey Ferguson 6455型和John Deere 6330型等機型，而在70～265 kW的大中功率段內，隨著液壓傳動效率的提升，機械液壓無級變速器在近年來獲得了更為普遍的應用，如ZF公司的S-matic、Eccom 1～5覆蓋了73.5～257 kW的功率段，而Fendt公司的300～900 Vario系列則覆蓋了59～265 kW[67]。表6為國際農機企業主流拖拉機產品HM-CVT的應用情況。

表6 國際農機企業主流拖拉機產品CVT應用情況 Tab.6 Application of CVT in mainstream tractor of international agricultural machinery enterprises

2.3 技術特點

2.3.1動力換擋

動力換擋變速箱主要由機械傳動系統、液壓控制系統和電子控制系統3部分組成。與傳統手動換擋變速箱不同，動力換擋變速箱的換擋操作通過換擋離合器實現，換擋離合器的結合與分離由液壓系統驅動，而液壓系統則受變速箱控制單元控制，如圖10所示。

圖10 動力換擋自動變速器工作原理圖 Fig.10 Working principle diagram of power shift automatic transmission

國外動力換擋技術已經成熟，國內動力換擋技術路線有3類[69]：①與國外合作研發自己的動力換擋箱。②直接配套進口ZF拖拉機底盤。③利用國內資源研發適配的半動力換擋箱。在研發、生產過程中遇到的困難主要體現在對機械、電控、液壓基礎研究不足、關鍵零部件制造工藝水平落后、離合器總成等核心部件配套體系不完備以及檢測手段欠缺等方面。

2.3.2無級變速傳動

無級變速是車輛理想的傳動形式，它可根據路面狀況和發動機工作狀態，連續改變傳動比，使發動機始終在最佳工作點/最佳工作線附近工作，改善整機燃油經濟性、降低噪聲，同時，無換擋階躍現象，減少了換擋沖擊，提高了整機的駕駛舒適性[70-71]。無級變速傳動分為機械式、電動式、流體式3種類型。

以金屬帶式無級變速器為代表的機械式無級傳動形式，受其結構限制，所能傳遞的功率和調速范圍有限，目前尚難在大功率拖拉機中取得應用[72]。

電動式無級傳動系統由發電機、控制系統和牽引電動機組成[72]。電傳動采用電動輪驅動技術，動力源與驅動電機之間通過軟電纜相連，擺脫了傳動系統在設計空間上的束縛，使得整車布置非常靈活，更利于軸向載荷的合理分配。它具有傳遞功率范圍大、容易控制、傳動效率較高等優點，但因其自身質量較大、成本高，且通常將電機、制動器等零部件集成于電動輪中，因此與同規格的普通車輪相比質量增加較多，車輛非簧載質量增加，行駛平順性和乘坐舒適性下降。故此種類型的傳動系統僅在礦用自卸車、大型鏟運機械及輪式裝載機上使用。

流體式無級變速又可分為液力機械式、靜液壓式和液壓機械式3種類型[72]。液力機械和靜液壓傳動形式因傳動效率低以及液壓元件功率限制的緣故，在拖拉機上的應用并不廣泛，少數中小功率的機型有時會采用靜液壓傳動，如New Holland公司的 Versatile 200系列，日本Kubota公司的L系列(功率在8.6～14.9 kW之間)，意大利Fiat公司的20系列、77系列拖拉機等。

液壓機械無級變速器(HM-CVT)兼顧了機械傳動的高效率和靜液壓傳動的平穩、沖擊小的特點，并且只需要使用常見機械變速機構和普通液壓元件就可以實現高效率、大功率的無級傳動。HM-CVT通常由機械變速機構、泵-馬達液壓無級變速系統、動力分流和匯流行星齒輪機構、電子控制裝置及驅動系統等構成[70-72]，如圖11所示。從發動機輸出的功率分為機械和液壓雙路向驅動橋傳遞，機械傳動通常由行星排和多級齒輪傳遞(如John Deere公司Auto Power)，或者由多級行星排(ZF公司的S-Matic、Eccom)組成，而液壓傳動則采用變量泵和變量馬達調速。在液壓傳動的輸出端液壓能和機械能重新匯集，輸入驅動橋。

圖11 液壓機械無級變速器原理圖 Fig.11 HM-CVT schematic diagram

目前，HM-CVT無級變速傳動技術基本被Fendt、ZF、Steyr、John Deere等少數幾大國外企業壟斷，國內基本處在理論分析和試驗研究階段。其中，北京理工大學開發了一種等差式HM-CVT變速箱，可實現1個純液壓段和2個液壓機械段的雙向等差無級傳動，西安理工大學、河南科技大學、南京農業大學、燕山大學等相繼在HM-CVT的傳動特性、排量伺服系統、換段品質、控制方法、控制系統動態特性等方面進行了一定的研究[68-71]，但小范圍內的局部突破并不能滿足行業的整體需求，因此，繼續加大對HM-CVT技術的研究力度，對提高我國農業生產整體水平有著重要的現實意義。

3 懸浮前橋及駕駛室的發展

3.1 懸浮前橋

懸浮前橋是指在剛性前橋的基礎上加裝帶有自動水平協調控制裝置和懸架剛性閉鎖裝置的懸浮機構，懸浮結構由懸浮油缸及懸浮桿件共同構成的連桿機構組成，其基本功能仍然是連接前輪、通過擺動軸來分擔拖拉機前部重量，并輔助拖拉機完成直行或轉彎的駕駛需求，與剛性前橋不同之處在于，懸浮前橋可通過懸浮油缸的伸縮動作達到拖拉機緩沖、減振的效果[73-74]。

近年來，拖拉機速度不斷提升，絕大多數機型的最高車速已達50 km/h，JCB的8250Fastrac機型甚至已突破70 km/h，為滿足彈性高速行走與剛性低速作業兩方面的要求，不少大中型拖拉機開始采用液壓空氣懸浮式彈性前橋，如Fendt的Farmer 400系列，以及Favorit 500/700/800/900系列均采用該類型前橋，而CLAAS的ARES836RZ機型上采用的懸浮式前橋，其功能得以進一步延伸，除緩沖、減振外，還可通過增加懸浮行程以短時增加離地間隙，提高整機通過性[67]。就其結構類型而言，常見的懸浮結構主要是兩種[74-75]，即雙擺臂獨立輪式懸浮前橋(圖12)和油缸中置整體式懸浮前橋(圖13)，其中，獨立輪式懸浮前橋的橋體被分為3段結構，與整體式懸浮橋相比，其主要的優點是左右兩側車輪可分別獨立懸浮控制，但該種前橋的整體剛性較差，對噸位較大的機型不太適用，并且，前橋輪距會隨著懸浮行程的改變而產生不同程度的變化，且其液壓控制系統也相對復雜，因而多被中小功率拖拉機所采用。

圖12 雙擺臂獨立輪式懸浮前橋 Fig.12 Front axle with double pendulum independent suspension

圖13 油缸中置整體式懸浮前橋 Fig.13 Front axle with middle single suspended cylinder

3.2 駕駛室

在拖拉機各部件中，駕駛室發展最為完善，駕駛室技術的發展主要集中在安全性、舒適性和操控性3方面，從最初用來遮風擋雨的簡易型駕駛室發展到現在安全舒適的綜合型駕駛室，人機工程設計理念體現的越來越明顯[67]。主要表現為：

(1)駕駛室采用框架式結構，符合防傾翻保護系統 (ROPS)要求，在拖拉機發生傾翻時保證有容身空間和逃生通道，安全性好[76]。

(2)駕駛室內部的布置精益求精，從地板、座椅、內飾、各種桿件、按鍵、顯示器等的布置，到色彩搭配，無不考慮駕駛員操作的舒適性與方便性，如圖14所示，其從俯視的角度展示了Deutz-Fahr駕駛室MaxVison內部的整體布置情形。

(3)座椅和駕駛室均設置被動或主動減振懸架，且懸浮座椅最大旋轉角度可達40°，駕駛室懸浮行程達±40 mm，極大地改善了駕乘舒適性。

(4)噪聲低，駕駛室內噪聲最低到69 dB，靜音效果好。

(5)駕駛操控區大量采用電子控制，常用手柄和按鈕按功能分區集中布置，高端機型采用帶多功能扶手的座椅，駕駛操作更便捷。

(6)配置駕駛員增視系統，即通過拖拉機上設置的照相機及圖形處理系統顯示拖拉機周圍360°范圍圖像，增大駕駛員視野，提高駕駛安全性，典型的增視系統有John Deere 的360° 3D camera 系統以及Deutz-Fahr的Driver Extended Eyes系統。

圖14 道依茨Fahr的駕駛室MaxVison Fig.14 Deutz-Fahr pilothouse MaxVison

4 拖拉機液壓技術的發展

拖拉機液壓系統最初只是簡單應用在后懸掛系統的提升部分，隨著拖拉機智能化、自動化、機電液一體化程度的不斷提升，液壓技術已經逐漸擴展到了負載換擋、液壓輸出、離合器、差速鎖以及前懸掛等各個部件，成為現代拖拉機的主要特征之一。

電控液壓懸掛是拖拉機液壓懸掛系統的一種形式，它是電控技術與液壓技術綜合發展的結果，其可以實現懸掛系統的位置調節、牽引力調節、力位綜合調節等。目前，電液懸掛在大中功率拖拉機上的應用非常普遍，帶動力換向、動力換擋以及CVT的機型幾乎全部采用電液懸掛，機械換擋機型則部分采用。就電液懸掛的功能而言，絕大多數系統至少可實現位置調節、牽引力調節以及力位綜合調節[77-80]，部分電液懸掛系統在提升力位調節的基礎上，可在整機控制系統的管理下與其他系統聯合動作，實現復合功能，比如，為避免拖拉機在重載作業時因驅動輪過度滑轉而導致的土體破壞、輪胎磨損以及驅動能量浪費等，可通過對電液懸掛系統的耕深進行主動控制，改善驅動輪的滑轉情況，使拖拉機在田間作業時保持最佳狀態，即滑轉率控制[81]；在拖拉機懸掛農具轉移時，可通過對電液懸掛系統的主動控制，實現整機減振，以提高整機行駛速度和安全性，即主動減振控制；拖拉機在作業過程中，當驅動輪上的垂直載荷不足時，可通過主動調節提升油缸的壓力，使由地輪承受的一部分農具重量轉移到驅動輪上，從而提高驅動輪的附著性能，即壓力控制。

拖拉機動力負載換擋技術的進步和完善，很大程度上得益于電控液壓技術的不斷發展。在拖拉機行進過程中，可通過控制帶有濕式摩擦片的離合器的結合與分離，實現拖拉機在帶載情況下的換擋或換向，而離合器的結合與分離一般通過調節液壓缸的活塞行程實現，顯然，工況、負載、擋位不同時，由電磁閥控制的壓力重疊時間、離合器的壓緊力也不同，隨著電控、液壓技術的進步，多擋位條件下的擋位選擇和換擋操縱、變負載條件下的換擋沖擊、振動等曾長期地困擾設計人員的問題，目前均已得到解決。

從液壓輸出來看，液壓系統的技術規格有了較大的提高[68]，主要表現在：系統流量從30 L/min增加到150 L/min；系統壓力從起初的10 MPa提高到18 MPa，而到目前，多數已突破20 MPa；液壓輸出路數明顯增多，從最初只能滿足基本需求的1或2路，發展為目前的6～8路；大、中功率拖拉機普遍采用軸向柱塞變量泵閉心負載傳感液壓系統，相比于最初的定量開心系統、以及后來發展出的變量壓力反饋閉心系統，其可根據負載大小按需提供液壓功率，節能效果好，同時，由于用電比例閥控制、檢測和傳感，使安全性和精度均得到了提高。

5 拖拉機電控及信息化技術的發展

5.1 電子控制技術

目前拖拉機技術在機械、液壓領域已趨完善，產品的升級和換代主要體現在電子控制和信息化技術的革新和應用上，因此，拖拉機電子控制技術和信息化技術的應用程度直接反映了拖拉機整機的智能化、自動化水平。近年來，在國外一些高端拖拉機產品上出現的典型電控系統有芬特(Fendt)公司開發的智能胎壓調節系統(Vario Grip Pro)，約翰迪爾(John Deere)公司開發的自學習地頭管理系統(iTec AutoLearn)以及配重快速匹配系統(EZ-ballast)，道依茨(Deutz)公司開發的駕駛員增視系統(Driver Extended Eyes)等，上述系統均是在原有發動機及底盤基礎上升級而成的駕駛輔助系統，其高度依賴電子控制、通信等現代技術，并逐漸成為現代拖拉機升級換代的重要方面。

(1)智能胎壓調節系統

拖拉機在田間作業時，為保護土壤，提高抓地力，應適當降低胎壓，以增加土壤與輪胎之間的接觸面積，減少對土壤的壓實；在道路運輸時，則應適當升高胎壓，以減小阻力，獲得更大的速度和更好的節油性能。智能胎壓調節系統即可根據實際需求調整輪胎氣壓，在不同工況下設定不同的胎壓。智能胎壓調節系統一般由中央處理器、負載傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、空氣壓縮機和壓力調節閥等組成，并集成在輪輞上。正確胎壓可以將土壤壓實程度降低 10%以上，從而提高5%的作物產量。目前，該系統可支持連接局域網、農場主機及智能胎壓應用程序。

圖15是由Fendt公司開發的智能胎壓調節系統(Vario Grip Pro)，其由安裝在正常輪胎內部的一個特制高壓內胎進行蓄能，并通過轉接頭快速地改變外層大輪胎的胎壓，據有關數據顯示，其能在30 s內將胎壓從0.08 MPa調節到0.18 MPa，而對發動機轉速無任何影響。胎壓的調整可通過胎壓輔助調節助手完成，調節助手集成在駕駛室的顯示屏內，其可根據整車質量及行駛速度計算出最優的輪胎壓力供駕駛員選擇，也可根據胎壓給出最優的整車質量及行駛速度。駕駛員僅需點一下屏幕確認，即使在行進中胎壓調節系統也可在數秒內調好胎壓。

圖15 芬特公司的胎壓調節系統Vario Grip Pro Fig.15 Fendt tire pressure regulating system Vario Grip Pro

(2)駕駛員增視系統

為增大駕駛員視野，提高駕駛安全性，采用數碼攝像技術和實時圖像處理技術，對拖拉機駕駛室周圍360°環境進行成像顯示，即拖拉機駕駛員增視系統。道依茨(Deutz)、約翰迪爾以及芬特等都有各自的增視系統，圖16為道依茨的Driver Extended Eyes，其可探測拖拉機后方7 m范圍內的區域，并以點云的形式將區域中的障礙物和拖拉機的相對位置呈現給駕駛員。系統還會自動規劃最優的避障路徑，輔助駕駛員進行避障，這對于缺乏操作經驗的駕駛員在操縱大型機器時具有重要意義，同時，也是未來邁向自動駕駛的關鍵一步。

圖16 道依茨公司的駕駛員增視系統 Driver Extended Eyes Fig.16 Deutz driver vision expansion system Driver Extended Eyes

(3)自學習地頭管理系統

拖拉機在地頭轉向過程中，很多時候需要進行升降機具、開關PTO、切換擋位等各種重復性操作，為提高拖拉機作業效率，減輕駕駛員勞動強度，拖拉機自學習地頭管理系統會根據駕駛員實際操作情況合理建議駕駛員進行自動地頭轉向操作，圖17為約翰迪爾的iTec AutoLearn，這是一種自學習功能，也是未來實現拖拉機智能化的關鍵一步。

圖17 約翰迪爾的自學習地頭管理系統 iTec AutoLearn Fig.17 John Deere self-learning headland management system iTec AutoLearn

(4)配重快速匹配系統

現代大功率拖拉機為適應不同的作業環境、作業種類，往往需要改變拖拉機配重，傳統的方式是只使用一種配重，且安裝拆卸也費時費力，很多時候由于配重不能兼顧各種作業工況而極易造成拖拉機整機質量過大、牽引力不足，導致油耗上升。John Deere開發的EZ-ballast系統如圖18所示，其在拖拉機底盤下設置了電液控制的掛接機構，當拖拉機駛過配重塊時，由液壓系統驅動的掛接機構可快速實現配重的更換，同時，由于配重塊經過優化設計，在保證整機離地間隙的同時，前后橋載荷比例基本不變。

圖18 約翰迪爾的配重快速匹配系統 EZ-ballast Fig.18 John Deere quick-fit ballast weight system EZ-ballast

從現有產品來看，目前拖拉機上的電子控制技術已貫穿發動機、底盤、駕駛室、電液懸掛以及導航控制等各個方面，由于各控制系統均有獨立的ECU作為各自的控制單元，因而隨著電控技術應用領域的不斷拓寬，傳統點對點的通信方式已很難適應現代拖拉機對于多節點控制系統的需求。CAN總線是一種多主總線，可解決眾多電子單元之間的數據交換和共享問題，自應用以來，因其線路簡單、實時性好、抗干擾能力強、可靠性高，已逐漸成為現代拖拉機控制系統實現多節點通信的首選方案。目前，國際農機企業一般采用ISO11783標準化通信協議作為數據交換的接口，國內針對農林拖拉機和相關機械設備，也制定了相應的通信標準協議，即GB/T 35381，其內容與ISO11783基本相同，適合我國拖拉機作設計參考。顯然，隨著現代拖拉機智能化、信息化進程的不斷推進，發展以標準化通信協議為核心的分布式CAN網絡通信控制技術至關重要。

5.2 拖拉機信息化與智能農機

拖拉機信息化是指培養、發展以智能拖拉機為代表的新興生產力和生產模式，并使之應用于農業生產的過程，這里的智能拖拉機一般應具備信息感知、信息獲取、信息傳遞、信息處理以及信息利用的能力。隨著互聯網、大數據、云計算、人工智能以及全球定位等新興前沿技術的推進，拖拉機信息化控制技術開始向自動化、智能化方向發展。

拖拉機的自動化和智能化包含內容廣泛，從目前發展情況來看，至少應包括拖拉機定位與導航、動態路徑規劃、機器視覺和遠程監控等，其中牽涉到大量的工程技術學科，包括導航、圖像、模型與策略、執行器以及數據鏈等[82]。

自動導航和定位技術是拖拉機信息化和智能化的重要組成部分，在現代精準農業中有著廣闊的應用和發展前景。拖拉機自動導航系統的關鍵技術主要包括導航感知、控制決策以及車輪轉向控制執行3個方面，其中，導航感知是指通過GPS、北斗定位系統、機器視覺、慣性導航單元以及多傳感器融合的組合方式實現對拖拉機的精準定位；導航控制決策是指基于傳感器信息，采用合適的智能控制算法，如PID、模糊控制以及智能神經網絡等，根據拖拉機實際行駛路徑和預定義路徑之間的偏差，對拖拉機轉向車輪在下一時刻的目標偏轉角進行實時決策，以確保拖拉機能按照預先規劃好的路徑行駛；車輪轉向控制系統是拖拉機導航控制的執行部分，通常采用電機、液壓馬達等作為主要執行元件。國外導航技術已經成熟，許多大型農機企業和導航測繪公司聯合推出各自的自動導航產品，如John Deere的Green Star衛星導航系統、CASE的AFS Accu Guide GPS自動導航系統、美國天寶(Trimble)公司的Auto Pilot自動導航駕駛系統以及日本拓普康(Topcon)公司的System 150精準級農業導航及自動駕駛系統。國內在“十一五”期間才開始投入大量的人力物力進行研究，其中，以中國農業大學、華南農業大學、西北農林科技大學為代表，開展了對農業機械的自動化改造、定位系統設計以及控制算法的研究，也逐漸形成了部分導航產品，如國內首套完全擁有自主知識產權的“惠農”北斗導航農機自動駕駛系統，由北京合眾思壯公司聯合眾多高校及中國一拖集團有限公司共同研發而成，較好地實現了拖拉機的自動轉向[83]。但總體來說，國內農業導航系統的通用性仍然較差[84-87]，有待進一步發展。

自動導航在拖拉機上已有應用，而融合了動態路徑規劃、機器視覺、整機控制等內容的無人駕駛技術使得拖拉機在信息化的道路上更進一步。無人駕駛和自動導航最大的區別在于是否能夠進行動態路徑規劃，以及是否能夠動態識別障礙物并進行主動避障[88]。凱斯(CASE)于 2016 年 9 月發布了無人駕駛概念拖拉機，如圖19所示，其在現有CASE/Magnum機型的基礎上，融合了整機控制、激光雷達探距、機器視覺、遠程視頻傳輸、監測以及遙控等技術，真正實現了拖拉機無人自動化作業。一拖集團也于2016年10月在中國國際農機展覽會上展示了國內首臺真正意義上的無人駕駛拖拉機LF954-C，其搭載的信息和控制系統同樣包括自動轉向系統、整機控制系統、毫米波雷達測量系統、雙目攝像視覺識別系統等，結合北斗高精度定位技術，可實現規定區域內自動路徑規劃及導航、自動換向、自動剎車和發動機轉速的自動控制、農具的自動控制、障礙物的主動避讓和遠程控制等功能。

圖19 凱斯無人駕駛概念拖拉機 Fig.19 CASE autonomous concept tractor

遠程監控管理也是拖拉機信息化的方向之一，典型的遠程監控管理系統一般由機載終端、通信網絡和監控管理調度中心3部分組成[88]，其中，機載終端分別通過CAN總線和GPS獲取拖拉機工作狀態信息和地理位置信息并進行上傳；通信網路負責將機載終端收集到的作業數據和定位信息實時傳送到監控管理中心的網絡服務器，且一般采用GPRS、CDMA等無線通信方式進行數據傳輸；監控管理中心主要由中心服務器和調度單元組成，其中，中心服務器建有專門的本地拖拉機作業數據庫，調度單元通過Internet網絡與中心服務器的數據庫連接，以實時接收中心服務器發來的數據，一方面，可實現諸如拖拉機分布位置查詢、作業數據采集與分析、作業遠程監控報警、數據查詢與記錄回放以及遠程檢測與診斷等功能，另一方面，調度單元還可根據拖拉機位置和作業情況進行實時調度，并將調度結果經由中心服務器和GPRS網絡傳送到相應的拖拉機車載終端，實現對拖拉機的合理調度。比較典型的遠程監控管理系統有John Deere的 JD LINK 系統、AGCO的Fuse系統(圖20)、美國天寶(Trimble)公司的“網絡農場系統”以及拓普康(Topcon)公司遠程資產管理系統，其均融合了全球衛星定位、無線移動通訊、遠程控制及物聯網等前沿技術，最大程度地降低了農機設備的冗余投入，使農機作業能力與作業需求合理匹配，在提高生產效率的同時，降低了整體運營成本。

圖20 愛科的精準農業系統 Fuse Fig.20 AGCO precision agriculture Fuse

6 結論與展望

縱觀農業拖拉機技術的發展歷程，在經歷了動力、傳動、液壓、電控以及機電一體化等技術的大規模突破后，拖拉機本體的技術革新在20世紀末已趨完善，在此之后，整機的升級換代主要體現在部件的局部創新和細節完善上。

進入21世紀，互聯網技術發展迅猛，在短短20 年的時間內，互聯網技術已經滲透到包括傳統行業在內的各行各業內，尤其是自2015年我國提出 “互聯網+”行動計劃以后，移動互聯網、云計算、大數據、物聯網等先進技術開始與現代制造業相結合，一種以信息化為特征的新生態的國家發展戰略開始形成，以農業物聯網和智能農機裝備為特征的精細農業系統成為研究重點，同時，它也代表了我國農業生產方式的未來發展方向。拖拉機作為智能農機裝備和農業生產信息化網絡的一個重要節點，必將在以下方面獲得長足發展：

(1)高效作業

未來的高效作業，并不僅僅是拖拉機自身作業效率的提升，更是指整個農業生產系統的高效運行。拖拉機作為龐大農業物聯網系統中的一個生產終端，一方面，與生產企業(或相關服務機構)相聯通，可實現對拖拉機作業狀態的實時監控，一旦設備發生異常，則可及時采取應對措施，同時，各種作業數據被上傳至相應的服務器，經綜合處理后，分類入庫，對拖拉機的維護、故障預測以及同類產品的前期設計、后期升級換代均有極其重要的參考價值；另一方面，拖拉機與目標用戶聯網，可隨時響應用戶的使用要求，按需分配機具類型、設備數量以及功率級別等，以最少的投入達到最佳的經濟效益和環境效益，實現有限農業資源的最優分配和高效利用，確保整個農業生產系統運行的高效性。

(2)節能環保

為應對農業機械化規模的不斷擴大可能造成的石油短缺、環境污染問題，國家對柴油機排放法規的要求必將越來越嚴格，預計國Ⅳ排放法規將會在2～3年內推出，因而，各種機內凈化、機外尾氣處理技術及其組合方案會在拖拉機上得到更廣泛的應用，以最大限度地降低整機排放；同時，以高比能量動力蓄電池、生物甲烷等新型替代能源為動力的新能源技術將與傳統動力并行發展，以求在新的能源領域獲得技術突破，實現機組作業時的零排放、無污染、低噪聲和高效率，從根本上解決農業機械化過程中面臨的節能減排問題。

(3)信息化與智能化

隨著電子技術、信息技術在農業生產中應用范圍的不斷擴大和全球精細農業系統的興起，以及我國“互聯網+”、“中國制造2025”和“人工智能2.0”階段的到來，拖拉機機組的信息化和智能化將得到更大的發展空間，而拖拉機智能感知和機器學習技術、智能決策與導航控制技術、智能動力驅動技術以及大數據和物聯網云平臺管控技術，作為拖拉機智能化的共性關鍵技術，將成為未來拖拉機技術發展的新亮點和新方向。