謝 斌 武仲斌 毛恩榮

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備優(yōu)化設(shè)計(jì)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，大量農(nóng)村勞動(dòng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移，發(fā)展以現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械為主體的智能化、規(guī)?；纳a(chǎn)模式成為當(dāng)務(wù)之急；同時(shí)，能源緊缺、環(huán)境污染形勢(shì)嚴(yán)峻，導(dǎo)致現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)低/零排放、少/無(wú)污染、低噪聲的綠色動(dòng)力農(nóng)機(jī)的需求愈來(lái)愈迫切。在這樣的新形勢(shì)和新背景下，我國(guó)提出了《中國(guó)制造2025》實(shí)施綱要[1-2]，智能農(nóng)機(jī)裝備被列為重點(diǎn)發(fā)展的十大領(lǐng)域之一；在“十三五”科技發(fā)展規(guī)劃中[3]，農(nóng)業(yè)機(jī)械的現(xiàn)代化、智能化和規(guī)?；脖涣腥胫攸c(diǎn)研發(fā)計(jì)劃之中。

作為最主要的農(nóng)業(yè)動(dòng)力機(jī)械，農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)所面臨的作業(yè)種類包括牽引、懸掛并驅(qū)動(dòng)各種配套農(nóng)機(jī)具，完成耕、耙、播、收等多種農(nóng)田作業(yè)、運(yùn)輸作業(yè)和固定場(chǎng)地作業(yè)，作業(yè)環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)種類繁多、作業(yè)負(fù)載多變。因此，拖拉機(jī)的技術(shù)發(fā)展水平在很大程度上體現(xiàn)著一個(gè)國(guó)家的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化程度和農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展水平，世界農(nóng)業(yè)強(qiáng)國(guó)均將拖拉機(jī)作為農(nóng)機(jī)工業(yè)的核心。

農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)是一種移動(dòng)式農(nóng)業(yè)動(dòng)力機(jī)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(jī)(大于等于147 kW)。近年來(lái)，圍繞“高效、智能、環(huán)保和信息集成”4個(gè)方面，農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)在動(dòng)力、傳動(dòng)、行走、液壓、懸掛、駕駛舒適性、物聯(lián)網(wǎng)及綜合服務(wù)/管理平臺(tái)等多個(gè)領(lǐng)域都取得了長(zhǎng)足發(fā)展。在動(dòng)力系統(tǒng)方面，國(guó)外柴油機(jī)排放法規(guī)已全面進(jìn)入第Ⅳ階段，單純依靠機(jī)內(nèi)凈化已不能滿足日益嚴(yán)格的排放要求，輔以各種機(jī)外尾氣后處理方案的組合型排放控制系統(tǒng)開始出現(xiàn)在國(guó)外各大主流機(jī)型上。而國(guó)內(nèi)則正處在國(guó)Ⅲ階段，主要通過(guò)機(jī)內(nèi)凈化和油品的改善來(lái)應(yīng)對(duì)排放要求[5-9]。此外，動(dòng)力系統(tǒng)開始嘗試探索高比能量動(dòng)力蓄電池、甲烷等新型動(dòng)力技術(shù)，有部分采用動(dòng)力電池的機(jī)型甚至已進(jìn)入小規(guī)模量產(chǎn)，如Fendt e100 Vario，John Deere SESAM等[10-11]；傳動(dòng)系統(tǒng)方面的進(jìn)步主要體現(xiàn)在動(dòng)力負(fù)載換擋和CVT無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)技術(shù)的進(jìn)一步普及上，尤其是無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)技術(shù)，不僅是農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)變速傳動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的必經(jīng)階段，更是實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)整機(jī)電液化、智能化、自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)，在提高拖拉機(jī)自動(dòng)化水平、整機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性、簡(jiǎn)化駕駛操縱程序和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等多方面具有重要意義[12-14]；行走轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要圍繞輪胎胎壓控制、橡膠履帶/半履帶式行走機(jī)構(gòu)展開研究，以進(jìn)一步減小接地比壓及滑轉(zhuǎn)損失，提高牽引效率和整機(jī)通過(guò)性[15-19]；在液壓動(dòng)力輸出方面，多點(diǎn)高精度輸出、負(fù)載傳感壓力補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)大大提高了液壓輔助系統(tǒng)的安全性、操控性、適用性和經(jīng)濟(jì)性[20-21]；而對(duì)于液壓懸掛系統(tǒng)，電控提升懸掛已基本成為國(guó)內(nèi)外大中功率拖拉機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，且大多同時(shí)配有前液壓輸出、前懸掛和前動(dòng)力輸出，大大方便了農(nóng)機(jī)具的掛接和日益增加的各類農(nóng)機(jī)具的配套應(yīng)用[22-23]；在駕駛舒適性方面，人機(jī)工程設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)的越來(lái)越充分，除采用主、被動(dòng)懸架以減少振動(dòng)外，懸浮駕駛室、懸浮座椅、360°駕駛室增視系統(tǒng)、人機(jī)交互觸摸顯示屏等人性化設(shè)計(jì)成為改善整機(jī)舒適性的重要方面[24-27]；此外，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，集農(nóng)業(yè)信息感知、數(shù)據(jù)傳輸、云平臺(tái)管控于一體的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸成為研究熱點(diǎn)[28-33]，這標(biāo)志著以模型驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)、設(shè)備管理設(shè)備、人-設(shè)備-農(nóng)場(chǎng)無(wú)縫連接的全新生產(chǎn)模式成為未來(lái)農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的趨勢(shì)。

本文在分析國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)技術(shù)概況的基礎(chǔ)上，闡述歸納拖拉機(jī)在動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)以及整機(jī)信息化方面的最新研究進(jìn)展，分析各系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的基本工作原理、特點(diǎn)及典型應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，展望農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，以期為我國(guó)拖拉機(jī)技術(shù)革新提供參考。

1 拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)研究進(jìn)展

柴油機(jī)因熱效率高、能量利用率好、動(dòng)力性強(qiáng)等，被廣泛應(yīng)用在各種農(nóng)業(yè)動(dòng)力機(jī)械上，據(jù)統(tǒng)計(jì)[34]，柴油機(jī)占到各種農(nóng)業(yè)動(dòng)力機(jī)械動(dòng)力源的95%以上。采用先進(jìn)技術(shù)的柴油機(jī)，升功率可達(dá)到30～50 kW/L，扭矩儲(chǔ)備系數(shù)可達(dá)到1.35以上，最低油耗可達(dá)到198 g/(kW·h)，標(biāo)定功率油耗可達(dá)到204 g/(kW·h)。

1.1 柴油機(jī)排放法規(guī)實(shí)施情況

柴油機(jī)因其固有的燃燒方式而導(dǎo)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(dāng)前，國(guó)際上參照的農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)主要以歐盟體系和美國(guó)體系為主，兩種體系的排放限值均依據(jù)功率來(lái)劃分檔次，不同功率擋次的發(fā)動(dòng)機(jī)排放限值、實(shí)施日期不同。表1、2分別給出了兩種體系下一氧化碳(CO)、碳?xì)浠衔?HC)、氮氧化合物(NOx)和顆粒物(PM)的限值，有時(shí)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(lái)劃分不同的排放階段[35-36]；而美國(guó)則采用Tier Ⅰ～Tier Ⅲ、Tier iⅣ和Tier Ⅳ來(lái)劃分不同的排放階段[7-8]，顯然，大功率發(fā)動(dòng)機(jī)排放限值較嚴(yán)，而小功率發(fā)動(dòng)機(jī)的排放限值較松，這與發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際排放狀況和技術(shù)水平一致，比較科學(xué)合理。同時(shí)，由法規(guī)實(shí)施進(jìn)度可以看出，歐盟目前的農(nóng)業(yè)機(jī)械排放控制的實(shí)施階段是Stage Ⅳ，而美國(guó)也已進(jìn)入Tier Ⅳ階段。由指標(biāo)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(guó)、日本、印度及俄羅斯等國(guó)家都有各自的排放法規(guī)體系，表3給出了中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械在各個(gè)階段的排放法規(guī)限值以及實(shí)施歷程，其分為第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ共4個(gè)階段，相關(guān)排放法規(guī)主要有GB 20891—2007《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)Ⅰ、Ⅱ階段)》[37]和GB 20891—2014 《非道路移動(dòng)機(jī)械用柴油機(jī)排氣污染物排放限值及測(cè)量方法(中國(guó)第Ⅲ、Ⅳ階段)》[38]，從表3中可以看出，中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)目前正全面處于“國(guó)Ⅲ”時(shí)代，而第Ⅳ階段標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施日期尚未確定。

表1 歐盟農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)各階段的限值及實(shí)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(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)各階段的限值及實(shí)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(chǎn)品從2012年起達(dá)到0.03 g/(kW·h)的PM標(biāo)準(zhǔn)，則此處限值為0.4 g/(kW·h)”。

表3 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)各階段的限值及實(shí)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(jī)排放控制技術(shù)

降低農(nóng)業(yè)機(jī)械污染排放技術(shù)路線主要有機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)、機(jī)外排氣后處理技術(shù)以及二者的組合技術(shù)[39-43]。其中，機(jī)內(nèi)凈化措施一般包括電控共軌、增壓中冷、廢氣再循環(huán)(EGR)等，而機(jī)外后處理技術(shù)則有氧化催化轉(zhuǎn)化(DOC)、顆粒捕捉(DPF)、選擇性催化還原(SCR)等。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)的日益嚴(yán)格，需將各項(xiàng)單一技術(shù)路線組合起來(lái)，以滿足各國(guó)不同階段的排放限值法規(guī)要求。

(1)燃油共軌直噴與四氣門技術(shù)

燃油共軌直噴是將燃油壓力的產(chǎn)生與噴射過(guò)程完全分離的一種供油方式[44-45]，其特點(diǎn)是噴油壓力的建立與噴油過(guò)程無(wú)關(guān)，噴油壓力、噴油過(guò)程和噴油持續(xù)期不受柴油機(jī)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的影響，且噴油定時(shí)與噴油計(jì)量可獨(dú)立控制，可自由地調(diào)整每個(gè)汽缸的噴油量和噴油起始點(diǎn)。而“二進(jìn)二排”四氣門結(jié)構(gòu)，既可提高充氣效率，同時(shí)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(chuàng)造了條件，這些因素的協(xié)調(diào)配合，使得混合氣的形成質(zhì)量(品質(zhì))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(shù)

電控噴射技術(shù)是目前國(guó)外降低柴油機(jī)排放的重要措施之一[44-45]，其可實(shí)現(xiàn)高壓噴射(120～200 MPa)，噴射壓力可比一般直列泵系統(tǒng)高出一倍，最高甚至達(dá)到200 MPa，這使得燃油噴霧液滴進(jìn)一步細(xì)化，與空氣的接觸面積增大，從而促進(jìn)燃油與空氣的充分混合，一定程度上減少了燃燒過(guò)程PM的生成。此外，電控噴射還有諸多優(yōu)點(diǎn)，如噴射壓力獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，有利于改善發(fā)動(dòng)機(jī)低速、低負(fù)荷時(shí)的扭矩特性；可實(shí)現(xiàn)預(yù)噴射，噴油速率、形狀可調(diào)節(jié)，噴油定時(shí)和噴油量可自由選定，從而使燃燒過(guò)程得以優(yōu)化，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗、煙度、噪聲和排放等性能指標(biāo)得到明顯改善。

(3)增壓中冷技術(shù)

采用渦輪增壓增加柴油機(jī)的空氣量，可提高燃燒的過(guò)量空氣因數(shù)，是降低大負(fù)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(huì)導(dǎo)致壓縮后期氣缸溫度的提升，缸內(nèi)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(guò)增壓器中段冷卻，再?zèng)_入氣缸，這樣可使增壓空氣溫度下降到50℃以下，進(jìn)而使氣缸壓縮行程后期工作循環(huán)溫度下降，減少NOx生成量[47]，故目前重型車用柴油機(jī)普遍采用增壓中冷型，有助于低排放而且燃油經(jīng)濟(jì)性良好。此外，渦輪前排氣旁通閥的應(yīng)用，不僅能降低PM和CO排放，還可改善渦輪增壓柴油機(jī)的瞬態(tài)性能和低速扭矩。

(4)廢氣再循環(huán)(EGR)技術(shù)

EGR技術(shù)是將柴油機(jī)少量廢氣送回進(jìn)氣系統(tǒng)，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(nèi)混合氣燃燒速度及燃燒溫度，最終達(dá)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(shí)，PM生成量會(huì)增加[48]。

圖1 廢氣再循環(huán)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(jìn)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(zhuǎn)化技術(shù)(DOC)

DOC是農(nóng)業(yè)機(jī)械最常用的排氣后處理催化器之一，如圖2所示，其可將農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)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(guò)氧化PM中的可溶性有機(jī)物(POC)去除部分PM[49]。為使凈化效果最佳，在采用DOC技術(shù)時(shí)，一般要求柴油燃料的含硫量較低，并要保證柴油機(jī)運(yùn)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(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械上，以滿足最新排放法規(guī)要求。

圖2 氧化催化轉(zhuǎn)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(shù)(DPF)

DPF是凈化柴油機(jī)顆粒物(PM)排放最關(guān)鍵的后處理裝置，并已得到廣泛研究和應(yīng)用[50-51]，其一般結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)排氣通過(guò) DPF 時(shí)，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(fù)合基3大類。其中，陶瓷基過(guò)濾材料應(yīng)用范圍最廣?；诓煌牟牧咸匦?，過(guò)濾器類型有壁流式蜂窩陶瓷過(guò)濾體、泡沫式過(guò)濾體、金屬絲網(wǎng)過(guò)濾體、陶瓷纖維過(guò)濾體和直流式過(guò)濾體等，其中，壁流式蜂窩陶瓷過(guò)濾體應(yīng)用范圍最廣，它通過(guò)擴(kuò)散、攔截、慣性碰撞和重力沉降4種機(jī)理對(duì) PM 進(jìn)行捕集，其典型結(jié)構(gòu)和捕集機(jī)理如圖4所示。據(jù)研究，DPF 對(duì) PM 綜合捕集效率在90%以上[52]。

圖3 顆粒捕集結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.3 DPF structure diagram 1.壓力傳感器 2.溫度傳感器 3.DPF過(guò)濾的尾氣 4.殼體 5.尾氣

圖4 DPF典型結(jié)構(gòu)及PM搜集機(jī)理示意圖 Fig.4 DPF typical structure and PM capture mechanism diagram

(7)選擇性催化還原技術(shù)(SCR)

SCR是針對(duì)柴油車尾氣排放中NOx的一項(xiàng)處理工藝，即在氧濃度高出NOx濃度2個(gè)數(shù)量級(jí)以上時(shí)，高選擇性地優(yōu)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(yīng)用范圍最廣[53]。由于NH3是一種具有強(qiáng)烈刺激性氣味的氣體，不便于直接應(yīng)用于SCR 催化器，且不便于儲(chǔ)存運(yùn)輸，故在實(shí)際應(yīng)用時(shí)往往以尿素溶液的方式向排氣管中噴射，以供反應(yīng)之需[54]。SCR 系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。該技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于柴油機(jī)尾氣后處理，通過(guò)優(yōu)化噴油和燃燒過(guò)程，盡量在機(jī)內(nèi)控制微粒PM的產(chǎn)生，而后在機(jī)外對(duì)富氧條件下形成的氮氧化物(NOx)進(jìn)行選擇性催化還原，既節(jié)能、又減排。

圖5 SCR系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu) 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(jī)內(nèi)凈化技術(shù)和機(jī)外排氣后處理技術(shù)中的兩種或多種單項(xiàng)控制手段進(jìn)行合理組合，實(shí)現(xiàn)更為理想的排放效果，以滿足日益嚴(yán)格的農(nóng)業(yè)機(jī)械排放法規(guī)。較為典型的組合路線為“DOC+POC/DPF+SCR”，如美國(guó)約翰·迪爾公司采用的整體集成式排放控制系統(tǒng)JDPS(John Deere power system)，即采用“DOC+DPF+SCR”路線，可滿足美國(guó)Tier Ⅳ/歐盟Stage Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)；德國(guó)道依茨公司也推出了各型號(hào)農(nóng)業(yè)機(jī)械柴油機(jī)在歐盟Stage Ⅳ階段的排放控制系統(tǒng)，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(guó)目前農(nóng)業(yè)機(jī)械排放控制尚處于國(guó)Ⅲ階段，僅通過(guò)油品技術(shù)和機(jī)內(nèi)凈化技術(shù)即可滿足排放限值要求，表4給出了玉柴動(dòng)力機(jī)械有限公司(玉柴)和一拖(洛陽(yáng))柴油機(jī)有限公司(洛拖)在國(guó)Ⅲ階段各個(gè)功率段采用的典型排放控制組合路線[55-56]。

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)輔助節(jié)能技術(shù)

(1)低轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)

對(duì)于傳統(tǒng)拖拉機(jī)用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)速一般在2 200～2 500 r/min，而低轉(zhuǎn)速發(fā)動(dòng)機(jī)是指額定轉(zhuǎn)速明顯低于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速的新型發(fā)動(dòng)機(jī)。以芬特Fendt 1000 Vario配置的排量為12.4 L的低速發(fā)動(dòng)機(jī)為例，其外特性如圖6所示，額定轉(zhuǎn)速?gòu)膫鹘y(tǒng)的2 200 r/min降至1 700 r/min，正常工作轉(zhuǎn)速范圍為650～1 700 r/min。低速發(fā)動(dòng)機(jī)具有諸多優(yōu)勢(shì)，就經(jīng)濟(jì)性而言，低速發(fā)動(dòng)機(jī)的低油耗區(qū)域較傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)面積更大，且與之匹配的傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械損耗因轉(zhuǎn)動(dòng)速度的降低而隨之下降，傳動(dòng)系統(tǒng)效率得以提升。此外，由于轉(zhuǎn)速的降低，發(fā)動(dòng)機(jī)擁有更大的儲(chǔ)備轉(zhuǎn)矩且噪聲低，振動(dòng)小，變速箱擋位數(shù)變少，同時(shí)，由于活塞運(yùn)行的線速度、曲軸連桿系、齒輪系和皮帶系的運(yùn)動(dòng)速度相應(yīng)降低，改善了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。

表4 玉柴和洛拖滿足農(nóng)業(yè)機(jī)械國(guó)Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的組合技術(shù)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(fā)動(dòng)機(jī)外特性 Fig.6 Fendt 1000 Vario low-speed engine external characteristics

(2)電控硅油風(fēng)扇

電控硅油風(fēng)扇，屬于硅油離合器型式的冷卻風(fēng)扇，但其與傳統(tǒng)的開關(guān)型硅油離合器風(fēng)扇不同，電控硅油風(fēng)扇的離合器開度可由電子控制單元(ECU)進(jìn)行精確控制，即ECU采集發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、散熱器水溫、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等信號(hào)，經(jīng)綜合處理后，計(jì)算出相應(yīng)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，并輸出脈沖指令到風(fēng)扇的電磁線圈，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)扇離合器開度，以使風(fēng)扇實(shí)際轉(zhuǎn)速達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，這種調(diào)節(jié)方式相比于傳統(tǒng)冷卻方式更加精準(zhǔn)、迅速，因而也能更好地適應(yīng)復(fù)雜工況下整機(jī)對(duì)風(fēng)量及噪聲特性要求的變化[57]。

(3)液壓驅(qū)動(dòng)式冷卻風(fēng)扇

液壓驅(qū)動(dòng)式冷卻風(fēng)扇的工作原理是，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇由柱塞式液壓泵和液壓馬達(dá)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，ECU根據(jù)系統(tǒng)溫度實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)液壓泵的排量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)溫度的自動(dòng)連續(xù)控制[58]，因此，液壓驅(qū)動(dòng)式冷卻風(fēng)扇同樣具有良好的散熱性能，且可有效降低風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲，但缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。表5給出了幾種冷卻系統(tǒng)的綜合性能對(duì)比情況[59]。隨著農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，冷卻風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)方式必將由傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式向著更加智能、環(huán)保、節(jié)能的驅(qū)動(dòng)方式發(fā)展。

表5 發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇性能對(duì)比 Tab.5 Performance comparison of engine cooling fans

1.4 新能源技術(shù)

(1)純電動(dòng)拖拉機(jī)

現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要支撐?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)新業(yè)態(tài)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)新模式對(duì)生態(tài)、節(jié)能、環(huán)保提出了越來(lái)越高的要求。當(dāng)前，設(shè)施農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)、庭院農(nóng)業(yè)等特殊農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境對(duì)零排放、無(wú)污染、低噪聲的綠色動(dòng)力農(nóng)機(jī)具需求越來(lái)越迫切，高效智能環(huán)保農(nóng)業(yè)動(dòng)力機(jī)械已成為全球農(nóng)機(jī)科技創(chuàng)新的主攻方向。電動(dòng)拖拉機(jī)作為零排放、無(wú)污染、低噪聲的綠色動(dòng)力機(jī)械，作業(yè)時(shí)噪聲小，駕駛員工作環(huán)境舒適，特別適用于溫室大棚、庭院維護(hù)、草坪修剪等作業(yè)場(chǎng)所，因而將成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的重要途徑之一，同時(shí)它也代表了農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域新能源技術(shù)的發(fā)展方向。

20世紀(jì)70年代，美國(guó) General Electric公司推出了Elec-Trak系列電動(dòng)拖拉機(jī)[60](圖7a)，由6組鉛酸電池供電，采用永磁無(wú)刷直流電機(jī)，功率范圍6～11 kW。美國(guó)Allis-Chalmers公司推出的電動(dòng)拖拉機(jī)采用燃料電池，共有1 008塊，功率為14.7 kW。美國(guó)Gorilla Vehicles公司生產(chǎn)的e-ATV系列電動(dòng)拖拉機(jī)，由3～4個(gè)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(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，不需要離合器，由智能控制器完成控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。加拿大Electric Tractor公司生產(chǎn)的Electric Ox2電動(dòng)拖拉機(jī)(圖7b)，其由6組深放電鉛酸電池供電，采用了獨(dú)特設(shè)計(jì)的雙電機(jī)/齒輪箱機(jī)構(gòu)、電子差速器等先進(jìn)設(shè)備，具有制動(dòng)能量回收功能。Hossein Mousazadeh(2011)研發(fā)了太陽(yáng)能輔助插電式電動(dòng)拖拉機(jī)(SAPHT)。2017年2 月，美國(guó)John Deere公司在法國(guó)農(nóng)牧業(yè)展覽會(huì)上推出純電動(dòng)拖拉機(jī)SESAM(圖7c)，功率264 kW，可持續(xù)作業(yè)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(shí)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(guó)際農(nóng)機(jī)展展出了e100 Vario電動(dòng)拖拉機(jī)(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(xù)作業(yè)5 h，充電80%只需40 min。

圖7 純電動(dòng)拖拉機(jī) Fig.7 Pure electric tractors

我國(guó)對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)的研究相對(duì)較晚，進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著電控、新能源和電機(jī)等相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、河南科技大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、江蘇大學(xué)等院校從不同角度開展了電動(dòng)拖拉機(jī)研究，取得了初步研究成果[61-66]。如江蘇大學(xué)開展了履帶式單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)拖拉機(jī)控制策略研究。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)基于小型四輪拖拉機(jī)設(shè)計(jì)了單電機(jī)驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)，并研究了驅(qū)動(dòng)控制策略。中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)了單電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)拖拉機(jī)樣機(jī)，基于myRIO開發(fā)了驅(qū)動(dòng)控制器。西北農(nóng)林科技大學(xué)、中國(guó)一拖集團(tuán)有限公司、天津拖拉機(jī)廠等開發(fā)了電動(dòng)拖拉機(jī)樣機(jī)。

綜合國(guó)內(nèi)外電動(dòng)拖拉機(jī)研發(fā)情況，當(dāng)前，全球用于田間作業(yè)的電動(dòng)拖拉機(jī)產(chǎn)品還不夠成熟，國(guó)內(nèi)多數(shù)處于樣機(jī)試制階段，國(guó)外也僅有小批量生產(chǎn)。不考慮動(dòng)力電池和電機(jī)對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)發(fā)展的限制，電動(dòng)拖拉機(jī)本身也還存在很多科學(xué)技術(shù)難題亟待解決，如電動(dòng)拖拉機(jī)工作特性與電機(jī)外特性匹配設(shè)計(jì)、動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)匹配與控制，整機(jī)能量管理及控制、整機(jī)功率優(yōu)化匹配等，都有待進(jìn)一步深入研究。

(2)生物甲烷動(dòng)力拖拉機(jī)

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(shí)可用的低碳型替代燃料。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，采用生物甲烷替代傳統(tǒng)化石燃料的理念和宗旨在于提供未來(lái)農(nóng)場(chǎng)能夠完全能源獨(dú)立、滿足自身甚至當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)的所有燃料和能源需求的可持續(xù)解決方案。

在農(nóng)場(chǎng)中，農(nóng)場(chǎng)經(jīng)營(yíng)者是生物甲烷生產(chǎn)原料和生產(chǎn)空間的天然擁有者，因而，生物甲烷特別適合農(nóng)業(yè)機(jī)械在農(nóng)場(chǎng)中使用。生物甲烷可用專門種植的能源作物混合物生產(chǎn)，也可以通過(guò)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(nóng)場(chǎng)、其他來(lái)源(如食品廠、超市、飯館和餐廳)進(jìn)行收集，喂入沼氣池。在沼氣池?zé)o空氣條件下，材料被加熱并隨著其被細(xì)菌消化，開始生物分解，這一過(guò)程類似堆肥堆。在持續(xù)約60 d的兩階段發(fā)酵過(guò)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(chǎn)出燃料級(jí)生物甲烷，之后可為拖拉機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械提供動(dòng)力。不僅如此，生物甲烷還可以燃燒發(fā)電，滿足農(nóng)場(chǎng)建筑物和其他生產(chǎn)企業(yè)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(guó)家電網(wǎng)，形成一個(gè)真正良性的循環(huán)。

圖8 農(nóng)場(chǎng)生物廢料 Fig.8 Farm biological waste

凱斯紐荷蘭工業(yè)集團(tuán)是天然氣動(dòng)力車輛的倡導(dǎo)者，圖9是其旗下的紐荷蘭公司開發(fā)出的甲烷動(dòng)力概念拖拉機(jī)，其所用生物甲烷燃料可完全由農(nóng)場(chǎng)的生物廢料產(chǎn)生、提取，提純后的甲烷燃料被儲(chǔ)存在位于拖拉機(jī)前部左右兩側(cè)、造型流暢的兩個(gè)氣罐內(nèi)，一次充氣即可為拖拉機(jī)進(jìn)行全天農(nóng)場(chǎng)作業(yè)提供充足的動(dòng)力。同時(shí)，拖拉機(jī)使用單一噴嘴，加注燃料時(shí)的操作、時(shí)間消耗與傳統(tǒng)柴油拖拉機(jī)相近，但可節(jié)省燃料25%，污染排放量下降80%，是一項(xiàng)極有前景的新能源技術(shù)。

圖9 甲烷動(dòng)力拖拉機(jī) Fig.9 Methane powered tractor

2 拖拉機(jī)變速傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 發(fā)展歷程

在世界范圍內(nèi)的拖拉機(jī)發(fā)展歷程中，拖拉機(jī)變速傳動(dòng)技術(shù)的變革大致經(jīng)歷了滑動(dòng)齒輪換擋、嚙合套和同步器換擋、區(qū)域動(dòng)力換擋、全動(dòng)力換擋以及機(jī)械液壓雙流無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)幾個(gè)階段，其中，滑動(dòng)齒輪換擋階段結(jié)束于20世紀(jì)50年代末；至70年代時(shí)，嚙合套和同步器換擋方式已經(jīng)發(fā)展成熟，但其最大的不足在于作業(yè)過(guò)程中換擋時(shí)的動(dòng)力中斷問(wèn)題，這使得拖拉機(jī)的作業(yè)效率大打折扣；為此，出現(xiàn)了采用換擋離合器摩擦傳動(dòng)的動(dòng)力換擋變速箱，一開始是雙速動(dòng)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(qū)域型動(dòng)力換擋，如ZF公司的T7200和T7300變速傳動(dòng)系，到20世紀(jì)90年代時(shí)，區(qū)域動(dòng)力換擋傳動(dòng)系發(fā)展成熟，傳動(dòng)系的進(jìn)一步發(fā)展方向是全動(dòng)力換擋變速箱和機(jī)械液壓雙流傳動(dòng)(HM-CVT)的傳動(dòng)系；目前，全動(dòng)力換擋技術(shù)以及無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)技術(shù)已經(jīng)成熟，但其核心基本被Fendt、ZF、STEYR、John Deere等少數(shù)幾大國(guó)外企業(yè)壟斷[67-68]。

2.2 配置情況

從不同功率段的配置情況來(lái)看，40 kW以內(nèi)的中小功率拖拉機(jī)受成本控制約束，多采用同步器換擋，部分機(jī)型有時(shí)還會(huì)采用靜液壓驅(qū)動(dòng)方式；40～70 kW功率段附近的部分中等功率拖拉機(jī)已經(jīng)開始配置機(jī)械液壓無(wú)級(jí)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(nèi)變速器的主要形式；對(duì)于70～265 kW范圍內(nèi)的大中功率拖拉機(jī)，帶有動(dòng)力換向的動(dòng)力換擋變速器和機(jī)械液壓無(wú)級(jí)變速器具有非常好的性價(jià)比，因而是該功率段內(nèi)變速箱的主流配置，其中，動(dòng)力換擋變速箱由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜成本高，更傾向于被140 kW以上的機(jī)型選用，且其功率適用范圍已不斷擴(kuò)展至735 kW，如Massey Ferguson 6455型和John Deere 6330型等機(jī)型，而在70～265 kW的大中功率段內(nèi)，隨著液壓傳動(dòng)效率的提升，機(jī)械液壓無(wú)級(jí)變速器在近年來(lái)獲得了更為普遍的應(yīng)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(guó)際農(nóng)機(jī)企業(yè)主流拖拉機(jī)產(chǎn)品HM-CVT的應(yīng)用情況。

表6 國(guó)際農(nóng)機(jī)企業(yè)主流拖拉機(jī)產(chǎn)品CVT應(yīng)用情況 Tab.6 Application of CVT in mainstream tractor of international agricultural machinery enterprises

2.3 技術(shù)特點(diǎn)

2.3.1動(dòng)力換擋

動(dòng)力換擋變速箱主要由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)3部分組成。與傳統(tǒng)手動(dòng)換擋變速箱不同，動(dòng)力換擋變速箱的換擋操作通過(guò)換擋離合器實(shí)現(xiàn)，換擋離合器的結(jié)合與分離由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，而液壓系統(tǒng)則受變速箱控制單元控制，如圖10所示。

圖10 動(dòng)力換擋自動(dòng)變速器工作原理圖 Fig.10 Working principle diagram of power shift automatic transmission

國(guó)外動(dòng)力換擋技術(shù)已經(jīng)成熟，國(guó)內(nèi)動(dòng)力換擋技術(shù)路線有3類[69]：①與國(guó)外合作研發(fā)自己的動(dòng)力換擋箱。②直接配套進(jìn)口ZF拖拉機(jī)底盤。③利用國(guó)內(nèi)資源研發(fā)適配的半動(dòng)力換擋箱。在研發(fā)、生產(chǎn)過(guò)程中遇到的困難主要體現(xiàn)在對(duì)機(jī)械、電控、液壓基礎(chǔ)研究不足、關(guān)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(cè)手段欠缺等方面。

2.3.2無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)

無(wú)級(jí)變速是車輛理想的傳動(dòng)形式，它可根據(jù)路面狀況和發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，連續(xù)改變傳動(dòng)比，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終在最佳工作點(diǎn)/最佳工作線附近工作，改善整機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性、降低噪聲，同時(shí)，無(wú)換擋階躍現(xiàn)象，減少了換擋沖擊，提高了整機(jī)的駕駛舒適性[70-71]。無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)分為機(jī)械式、電動(dòng)式、流體式3種類型。

以金屬帶式無(wú)級(jí)變速器為代表的機(jī)械式無(wú)級(jí)傳動(dòng)形式，受其結(jié)構(gòu)限制，所能傳遞的功率和調(diào)速范圍有限，目前尚難在大功率拖拉機(jī)中取得應(yīng)用[72]。

電動(dòng)式無(wú)級(jí)傳動(dòng)系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、控制系統(tǒng)和牽引電動(dòng)機(jī)組成[72]。電傳動(dòng)采用電動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)技術(shù)，動(dòng)力源與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間通過(guò)軟電纜相連，擺脫了傳動(dòng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)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(dòng)效率較高等優(yōu)點(diǎn)，但因其自身質(zhì)量較大、成本高，且通常將電機(jī)、制動(dòng)器等零部件集成于電動(dòng)輪中，因此與同規(guī)格的普通車輪相比質(zhì)量增加較多，車輛非簧載質(zhì)量增加，行駛平順性和乘坐舒適性下降。故此種類型的傳動(dòng)系統(tǒng)僅在礦用自卸車、大型鏟運(yùn)機(jī)械及輪式裝載機(jī)上使用。

流體式無(wú)級(jí)變速又可分為液力機(jī)械式、靜液壓式和液壓機(jī)械式3種類型[72]。液力機(jī)械和靜液壓傳動(dòng)形式因傳動(dòng)效率低以及液壓元件功率限制的緣故，在拖拉機(jī)上的應(yīng)用并不廣泛，少數(shù)中小功率的機(jī)型有時(shí)會(huì)采用靜液壓傳動(dòng)，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(jī)等。

液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器(HM-CVT)兼顧了機(jī)械傳動(dòng)的高效率和靜液壓傳動(dòng)的平穩(wěn)、沖擊小的特點(diǎn)，并且只需要使用常見機(jī)械變速機(jī)構(gòu)和普通液壓元件就可以實(shí)現(xiàn)高效率、大功率的無(wú)級(jí)傳動(dòng)。HM-CVT通常由機(jī)械變速機(jī)構(gòu)、泵-馬達(dá)液壓無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)、動(dòng)力分流和匯流行星齒輪機(jī)構(gòu)、電子控制裝置及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等構(gòu)成[70-72]，如圖11所示。從發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率分為機(jī)械和液壓雙路向驅(qū)動(dòng)橋傳遞，機(jī)械傳動(dòng)通常由行星排和多級(jí)齒輪傳遞(如John Deere公司Auto Power)，或者由多級(jí)行星排(ZF公司的S-Matic、Eccom)組成，而液壓傳動(dòng)則采用變量泵和變量馬達(dá)調(diào)速。在液壓傳動(dòng)的輸出端液壓能和機(jī)械能重新匯集，輸入驅(qū)動(dòng)橋。

圖11 液壓機(jī)械無(wú)級(jí)變速器原理圖 Fig.11 HM-CVT schematic diagram

目前，HM-CVT無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)技術(shù)基本被Fendt、ZF、Steyr、John Deere等少數(shù)幾大國(guó)外企業(yè)壟斷，國(guó)內(nèi)基本處在理論分析和試驗(yàn)研究階段。其中，北京理工大學(xué)開發(fā)了一種等差式HM-CVT變速箱，可實(shí)現(xiàn)1個(gè)純液壓段和2個(gè)液壓機(jī)械段的雙向等差無(wú)級(jí)傳動(dòng)，西安理工大學(xué)、河南科技大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)、燕山大學(xué)等相繼在HM-CVT的傳動(dòng)特性、排量伺服系統(tǒng)、換段品質(zhì)、控制方法、控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性等方面進(jìn)行了一定的研究[68-71]，但小范圍內(nèi)的局部突破并不能滿足行業(yè)的整體需求，因此，繼續(xù)加大對(duì)HM-CVT技術(shù)的研究力度，對(duì)提高我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)整體水平有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

3 懸浮前橋及駕駛室的發(fā)展

3.1 懸浮前橋

懸浮前橋是指在剛性前橋的基礎(chǔ)上加裝帶有自動(dòng)水平協(xié)調(diào)控制裝置和懸架剛性閉鎖裝置的懸浮機(jī)構(gòu)，懸浮結(jié)構(gòu)由懸浮油缸及懸浮桿件共同構(gòu)成的連桿機(jī)構(gòu)組成，其基本功能仍然是連接前輪、通過(guò)擺動(dòng)軸來(lái)分擔(dān)拖拉機(jī)前部重量，并輔助拖拉機(jī)完成直行或轉(zhuǎn)彎的駕駛需求，與剛性前橋不同之處在于，懸浮前橋可通過(guò)懸浮油缸的伸縮動(dòng)作達(dá)到拖拉機(jī)緩沖、減振的效果[73-74]。

近年來(lái)，拖拉機(jī)速度不斷提升，絕大多數(shù)機(jī)型的最高車速已達(dá)50 km/h，JCB的8250Fastrac機(jī)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(yè)兩方面的要求，不少大中型拖拉機(jī)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(jī)型上采用的懸浮式前橋，其功能得以進(jìn)一步延伸，除緩沖、減振外，還可通過(guò)增加懸浮行程以短時(shí)增加離地間隙，提高整機(jī)通過(guò)性[67]。就其結(jié)構(gòu)類型而言，常見的懸浮結(jié)構(gòu)主要是兩種[74-75]，即雙擺臂獨(dú)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(dú)立輪式懸浮前橋的橋體被分為3段結(jié)構(gòu)，與整體式懸浮橋相比，其主要的優(yōu)點(diǎn)是左右兩側(cè)車輪可分別獨(dú)立懸浮控制，但該種前橋的整體剛性較差，對(duì)噸位較大的機(jī)型不太適用，并且，前橋輪距會(huì)隨著懸浮行程的改變而產(chǎn)生不同程度的變化，且其液壓控制系統(tǒng)也相對(duì)復(fù)雜，因而多被中小功率拖拉機(jī)所采用。

圖12 雙擺臂獨(dú)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(jī)各部件中，駕駛室發(fā)展最為完善，駕駛室技術(shù)的發(fā)展主要集中在安全性、舒適性和操控性3方面，從最初用來(lái)遮風(fēng)擋雨的簡(jiǎn)易型駕駛室發(fā)展到現(xiàn)在安全舒適的綜合型駕駛室，人機(jī)工程設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)的越來(lái)越明顯[67]。主要表現(xiàn)為：

(1)駕駛室采用框架式結(jié)構(gòu)，符合防傾翻保護(hù)系統(tǒng) (ROPS)要求，在拖拉機(jī)發(fā)生傾翻時(shí)保證有容身空間和逃生通道，安全性好[76]。

(2)駕駛室內(nèi)部的布置精益求精，從地板、座椅、內(nèi)飾、各種桿件、按鍵、顯示器等的布置，到色彩搭配，無(wú)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(nèi)部的整體布置情形。

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

(4)噪聲低，駕駛室內(nèi)噪聲最低到69 dB，靜音效果好。

(5)駕駛操控區(qū)大量采用電子控制，常用手柄和按鈕按功能分區(qū)集中布置，高端機(jī)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(tǒng)，即通過(guò)拖拉機(jī)上設(shè)置的照相機(jī)及圖形處理系統(tǒng)顯示拖拉機(jī)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(tǒng)有John Deere 的360° 3D camera 系統(tǒng)以及Deutz-Fahr的Driver Extended Eyes系統(tǒng)。

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

4 拖拉機(jī)液壓技術(shù)的發(fā)展

拖拉機(jī)液壓系統(tǒng)最初只是簡(jiǎn)單應(yīng)用在后懸掛系統(tǒng)的提升部分，隨著拖拉機(jī)智能化、自動(dòng)化、機(jī)電液一體化程度的不斷提升，液壓技術(shù)已經(jīng)逐漸擴(kuò)展到了負(fù)載換擋、液壓輸出、離合器、差速鎖以及前懸掛等各個(gè)部件，成為現(xiàn)代拖拉機(jī)的主要特征之一。

電控液壓懸掛是拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)的一種形式，它是電控技術(shù)與液壓技術(shù)綜合發(fā)展的結(jié)果，其可以實(shí)現(xiàn)懸掛系統(tǒng)的位置調(diào)節(jié)、牽引力調(diào)節(jié)、力位綜合調(diào)節(jié)等。目前，電液懸掛在大中功率拖拉機(jī)上的應(yīng)用非常普遍，帶動(dòng)力換向、動(dòng)力換擋以及CVT的機(jī)型幾乎全部采用電液懸掛，機(jī)械換擋機(jī)型則部分采用。就電液懸掛的功能而言，絕大多數(shù)系統(tǒng)至少可實(shí)現(xiàn)位置調(diào)節(jié)、牽引力調(diào)節(jié)以及力位綜合調(diào)節(jié)[77-80]，部分電液懸掛系統(tǒng)在提升力位調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，可在整機(jī)控制系統(tǒng)的管理下與其他系統(tǒng)聯(lián)合動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)復(fù)合功能，比如，為避免拖拉機(jī)在重載作業(yè)時(shí)因驅(qū)動(dòng)輪過(guò)度滑轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的土體破壞、輪胎磨損以及驅(qū)動(dòng)能量浪費(fèi)等，可通過(guò)對(duì)電液懸掛系統(tǒng)的耕深進(jìn)行主動(dòng)控制，改善驅(qū)動(dòng)輪的滑轉(zhuǎn)情況，使拖拉機(jī)在田間作業(yè)時(shí)保持最佳狀態(tài)，即滑轉(zhuǎn)率控制[81]；在拖拉機(jī)懸掛農(nóng)具轉(zhuǎn)移時(shí)，可通過(guò)對(duì)電液懸掛系統(tǒng)的主動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)整機(jī)減振，以提高整機(jī)行駛速度和安全性，即主動(dòng)減振控制；拖拉機(jī)在作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪上的垂直載荷不足時(shí)，可通過(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)提升油缸的壓力，使由地輪承受的一部分農(nóng)具重量轉(zhuǎn)移到驅(qū)動(dòng)輪上，從而提高驅(qū)動(dòng)輪的附著性能，即壓力控制。

拖拉機(jī)動(dòng)力負(fù)載換擋技術(shù)的進(jìn)步和完善，很大程度上得益于電控液壓技術(shù)的不斷發(fā)展。在拖拉機(jī)行進(jìn)過(guò)程中，可通過(guò)控制帶有濕式摩擦片的離合器的結(jié)合與分離，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)在帶載情況下的換擋或換向，而離合器的結(jié)合與分離一般通過(guò)調(diào)節(jié)液壓缸的活塞行程實(shí)現(xiàn)，顯然，工況、負(fù)載、擋位不同時(shí)，由電磁閥控制的壓力重疊時(shí)間、離合器的壓緊力也不同，隨著電控、液壓技術(shù)的進(jìn)步，多擋位條件下的擋位選擇和換擋操縱、變負(fù)載條件下的換擋沖擊、振動(dòng)等曾長(zhǎng)期地困擾設(shè)計(jì)人員的問(wèn)題，目前均已得到解決。

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

5 拖拉機(jī)電控及信息化技術(shù)的發(fā)展

5.1 電子控制技術(shù)

目前拖拉機(jī)技術(shù)在機(jī)械、液壓領(lǐng)域已趨完善，產(chǎn)品的升級(jí)和換代主要體現(xiàn)在電子控制和信息化技術(shù)的革新和應(yīng)用上，因此，拖拉機(jī)電子控制技術(shù)和信息化技術(shù)的應(yīng)用程度直接反映了拖拉機(jī)整機(jī)的智能化、自動(dòng)化水平。近年來(lái)，在國(guó)外一些高端拖拉機(jī)產(chǎn)品上出現(xiàn)的典型電控系統(tǒng)有芬特(Fendt)公司開發(fā)的智能胎壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)(Vario Grip Pro)，約翰迪爾(John Deere)公司開發(fā)的自學(xué)習(xí)地頭管理系統(tǒng)(iTec AutoLearn)以及配重快速匹配系統(tǒng)(EZ-ballast)，道依茨(Deutz)公司開發(fā)的駕駛員增視系統(tǒng)(Driver Extended Eyes)等，上述系統(tǒng)均是在原有發(fā)動(dòng)機(jī)及底盤基礎(chǔ)上升級(jí)而成的駕駛輔助系統(tǒng)，其高度依賴電子控制、通信等現(xiàn)代技術(shù)，并逐漸成為現(xiàn)代拖拉機(jī)升級(jí)換代的重要方面。

(1)智能胎壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)

拖拉機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，為保護(hù)土壤，提高抓地力，應(yīng)適當(dāng)降低胎壓，以增加土壤與輪胎之間的接觸面積，減少對(duì)土壤的壓實(shí)；在道路運(yùn)輸時(shí)，則應(yīng)適當(dāng)升高胎壓，以減小阻力，獲得更大的速度和更好的節(jié)油性能。智能胎壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)即可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整輪胎氣壓，在不同工況下設(shè)定不同的胎壓。智能胎壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)一般由中央處理器、負(fù)載傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、空氣壓縮機(jī)和壓力調(diào)節(jié)閥等組成，并集成在輪輞上。正確胎壓可以將土壤壓實(shí)程度降低 10%以上，從而提高5%的作物產(chǎn)量。目前，該系統(tǒng)可支持連接局域網(wǎng)、農(nóng)場(chǎng)主機(jī)及智能胎壓應(yīng)用程序。

圖15是由Fendt公司開發(fā)的智能胎壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)(Vario Grip Pro)，其由安裝在正常輪胎內(nèi)部的一個(gè)特制高壓內(nèi)胎進(jìn)行蓄能，并通過(guò)轉(zhuǎn)接頭快速地改變外層大輪胎的胎壓，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，其能在30 s內(nèi)將胎壓從0.08 MPa調(diào)節(jié)到0.18 MPa，而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速無(wú)任何影響。胎壓的調(diào)整可通過(guò)胎壓輔助調(diào)節(jié)助手完成，調(diào)節(jié)助手集成在駕駛室的顯示屏內(nèi)，其可根據(jù)整車質(zhì)量及行駛速度計(jì)算出最優(yōu)的輪胎壓力供駕駛員選擇，也可根據(jù)胎壓給出最優(yōu)的整車質(zhì)量及行駛速度。駕駛員僅需點(diǎn)一下屏幕確認(rèn)，即使在行進(jìn)中胎壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)也可在數(shù)秒內(nèi)調(diào)好胎壓。

圖15 芬特公司的胎壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)Vario Grip Pro Fig.15 Fendt tire pressure regulating system Vario Grip Pro

(2)駕駛員增視系統(tǒng)

為增大駕駛員視野，提高駕駛安全性，采用數(shù)碼攝像技術(shù)和實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)，對(duì)拖拉機(jī)駕駛室周圍360°環(huán)境進(jìn)行成像顯示，即拖拉機(jī)駕駛員增視系統(tǒng)。道依茨(Deutz)、約翰迪爾以及芬特等都有各自的增視系統(tǒng)，圖16為道依茨的Driver Extended Eyes，其可探測(cè)拖拉機(jī)后方7 m范圍內(nèi)的區(qū)域，并以點(diǎn)云的形式將區(qū)域中的障礙物和拖拉機(jī)的相對(duì)位置呈現(xiàn)給駕駛員。系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)規(guī)劃最優(yōu)的避障路徑，輔助駕駛員進(jìn)行避障，這對(duì)于缺乏操作經(jīng)驗(yàn)的駕駛員在操縱大型機(jī)器時(shí)具有重要意義，同時(shí)，也是未來(lái)邁向自動(dòng)駕駛的關(guān)鍵一步。

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

(3)自學(xué)習(xí)地頭管理系統(tǒng)

拖拉機(jī)在地頭轉(zhuǎn)向過(guò)程中，很多時(shí)候需要進(jìn)行升降機(jī)具、開關(guān)PTO、切換擋位等各種重復(fù)性操作，為提高拖拉機(jī)作業(yè)效率，減輕駕駛員勞動(dòng)強(qiáng)度，拖拉機(jī)自學(xué)習(xí)地頭管理系統(tǒng)會(huì)根據(jù)駕駛員實(shí)際操作情況合理建議駕駛員進(jìn)行自動(dòng)地頭轉(zhuǎn)向操作，圖17為約翰迪爾的iTec AutoLearn，這是一種自學(xué)習(xí)功能，也是未來(lái)實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)智能化的關(guān)鍵一步。

圖17 約翰迪爾的自學(xué)習(xí)地頭管理系統(tǒng) iTec AutoLearn Fig.17 John Deere self-learning headland management system iTec AutoLearn

(4)配重快速匹配系統(tǒng)

現(xiàn)代大功率拖拉機(jī)為適應(yīng)不同的作業(yè)環(huán)境、作業(yè)種類，往往需要改變拖拉機(jī)配重，傳統(tǒng)的方式是只使用一種配重，且安裝拆卸也費(fèi)時(shí)費(fèi)力，很多時(shí)候由于配重不能兼顧各種作業(yè)工況而極易造成拖拉機(jī)整機(jī)質(zhì)量過(guò)大、牽引力不足，導(dǎo)致油耗上升。John Deere開發(fā)的EZ-ballast系統(tǒng)如圖18所示，其在拖拉機(jī)底盤下設(shè)置了電液控制的掛接機(jī)構(gòu)，當(dāng)拖拉機(jī)駛過(guò)配重塊時(shí)，由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的掛接機(jī)構(gòu)可快速實(shí)現(xiàn)配重的更換，同時(shí)，由于配重塊經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證整機(jī)離地間隙的同時(shí)，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(tǒng) EZ-ballast Fig.18 John Deere quick-fit ballast weight system EZ-ballast

從現(xiàn)有產(chǎn)品來(lái)看，目前拖拉機(jī)上的電子控制技術(shù)已貫穿發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、駕駛室、電液懸掛以及導(dǎo)航控制等各個(gè)方面，由于各控制系統(tǒng)均有獨(dú)立的ECU作為各自的控制單元，因而隨著電控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式已很難適應(yīng)現(xiàn)代拖拉機(jī)對(duì)于多節(jié)點(diǎn)控制系統(tǒng)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(shù)據(jù)交換和共享問(wèn)題，自應(yīng)用以來(lái)，因其線路簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，已逐漸成為現(xiàn)代拖拉機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)通信的首選方案。目前，國(guó)際農(nóng)機(jī)企業(yè)一般采用ISO11783標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議作為數(shù)據(jù)交換的接口，國(guó)內(nèi)針對(duì)農(nóng)林拖拉機(jī)和相關(guān)機(jī)械設(shè)備，也制定了相應(yīng)的通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，即GB/T 35381，其內(nèi)容與ISO11783基本相同，適合我國(guó)拖拉機(jī)作設(shè)計(jì)參考。顯然，隨著現(xiàn)代拖拉機(jī)智能化、信息化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，發(fā)展以標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議為核心的分布式CAN網(wǎng)絡(luò)通信控制技術(shù)至關(guān)重要。

5.2 拖拉機(jī)信息化與智能農(nóng)機(jī)

拖拉機(jī)信息化是指培養(yǎng)、發(fā)展以智能拖拉機(jī)為代表的新興生產(chǎn)力和生產(chǎn)模式，并使之應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程，這里的智能拖拉機(jī)一般應(yīng)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(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能以及全球定位等新興前沿技術(shù)的推進(jìn)，拖拉機(jī)信息化控制技術(shù)開始向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。

拖拉機(jī)的自動(dòng)化和智能化包含內(nèi)容廣泛，從目前發(fā)展情況來(lái)看，至少應(yīng)包括拖拉機(jī)定位與導(dǎo)航、動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃、機(jī)器視覺和遠(yuǎn)程監(jiān)控等，其中牽涉到大量的工程技術(shù)學(xué)科，包括導(dǎo)航、圖像、模型與策略、執(zhí)行器以及數(shù)據(jù)鏈等[82]。

自動(dòng)導(dǎo)航和定位技術(shù)是拖拉機(jī)信息化和智能化的重要組成部分，在現(xiàn)代精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景。拖拉機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括導(dǎo)航感知、控制決策以及車輪轉(zhuǎn)向控制執(zhí)行3個(gè)方面，其中，導(dǎo)航感知是指通過(guò)GPS、北斗定位系統(tǒng)、機(jī)器視覺、慣性導(dǎo)航單元以及多傳感器融合的組合方式實(shí)現(xiàn)對(duì)拖拉機(jī)的精準(zhǔn)定位；導(dǎo)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，根據(jù)拖拉機(jī)實(shí)際行駛路徑和預(yù)定義路徑之間的偏差，對(duì)拖拉機(jī)轉(zhuǎn)向車輪在下一時(shí)刻的目標(biāo)偏轉(zhuǎn)角進(jìn)行實(shí)時(shí)決策，以確保拖拉機(jī)能按照預(yù)先規(guī)劃好的路徑行駛；車輪轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)是拖拉機(jī)導(dǎo)航控制的執(zhí)行部分，通常采用電機(jī)、液壓馬達(dá)等作為主要執(zhí)行元件。國(guó)外導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)成熟，許多大型農(nóng)機(jī)企業(yè)和導(dǎo)航測(cè)繪公司聯(lián)合推出各自的自動(dòng)導(dǎo)航產(chǎn)品，如John Deere的Green Star衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、CASE的AFS Accu Guide GPS自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、美國(guó)天寶(Trimble)公司的Auto Pilot自動(dòng)導(dǎo)航駕駛系統(tǒng)以及日本拓普康(Topcon)公司的System 150精準(zhǔn)級(jí)農(nóng)業(yè)導(dǎo)航及自動(dòng)駕駛系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)在“十一五”期間才開始投入大量的人力物力進(jìn)行研究，其中，以中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)、西北農(nóng)林科技大學(xué)為代表，開展了對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化改造、定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及控制算法的研究，也逐漸形成了部分導(dǎo)航產(chǎn)品，如國(guó)內(nèi)首套完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“惠農(nóng)”北斗導(dǎo)航農(nóng)機(jī)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，由北京合眾思?jí)压韭?lián)合眾多高校及中國(guó)一拖集團(tuán)有限公司共同研發(fā)而成，較好地實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)的自動(dòng)轉(zhuǎn)向[83]。但總體來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)導(dǎo)航系統(tǒng)的通用性仍然較差[84-87]，有待進(jìn)一步發(fā)展。

自動(dòng)導(dǎo)航在拖拉機(jī)上已有應(yīng)用，而融合了動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃、機(jī)器視覺、整機(jī)控制等內(nèi)容的無(wú)人駕駛技術(shù)使得拖拉機(jī)在信息化的道路上更進(jìn)一步。無(wú)人駕駛和自動(dòng)導(dǎo)航最大的區(qū)別在于是否能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃，以及是否能夠動(dòng)態(tài)識(shí)別障礙物并進(jìn)行主動(dòng)避障[88]。凱斯(CASE)于 2016 年 9 月發(fā)布了無(wú)人駕駛概念拖拉機(jī)，如圖19所示，其在現(xiàn)有CASE/Magnum機(jī)型的基礎(chǔ)上，融合了整機(jī)控制、激光雷達(dá)探距、機(jī)器視覺、遠(yuǎn)程視頻傳輸、監(jiān)測(cè)以及遙控等技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)無(wú)人自動(dòng)化作業(yè)。一拖集團(tuán)也于2016年10月在中國(guó)國(guó)際農(nóng)機(jī)展覽會(huì)上展示了國(guó)內(nèi)首臺(tái)真正意義上的無(wú)人駕駛拖拉機(jī)LF954-C，其搭載的信息和控制系統(tǒng)同樣包括自動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、整機(jī)控制系統(tǒng)、毫米波雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)、雙目攝像視覺識(shí)別系統(tǒng)等，結(jié)合北斗高精度定位技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)規(guī)定區(qū)域內(nèi)自動(dòng)路徑規(guī)劃及導(dǎo)航、自動(dòng)換向、自動(dòng)剎車和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制、農(nóng)具的自動(dòng)控制、障礙物的主動(dòng)避讓和遠(yuǎn)程控制等功能。

圖19 凱斯無(wú)人駕駛概念拖拉機(jī) Fig.19 CASE autonomous concept tractor

遠(yuǎn)程監(jiān)控管理也是拖拉機(jī)信息化的方向之一，典型的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)一般由機(jī)載終端、通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控管理調(diào)度中心3部分組成[88]，其中，機(jī)載終端分別通過(guò)CAN總線和GPS獲取拖拉機(jī)工作狀態(tài)信息和地理位置信息并進(jìn)行上傳；通信網(wǎng)路負(fù)責(zé)將機(jī)載終端收集到的作業(yè)數(shù)據(jù)和定位信息實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控管理中心的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，且一般采用GPRS、CDMA等無(wú)線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；監(jiān)控管理中心主要由中心服務(wù)器和調(diào)度單元組成，其中，中心服務(wù)器建有專門的本地拖拉機(jī)作業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)度單元通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)與中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)連接，以實(shí)時(shí)接收中心服務(wù)器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，一方面，可實(shí)現(xiàn)諸如拖拉機(jī)分布位置查詢、作業(yè)數(shù)據(jù)采集與分析、作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢與記錄回放以及遠(yuǎn)程檢測(cè)與診斷等功能，另一方面，調(diào)度單元還可根據(jù)拖拉機(jī)位置和作業(yè)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度，并將調(diào)度結(jié)果經(jīng)由中心服務(wù)器和GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到相應(yīng)的拖拉機(jī)車載終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)拖拉機(jī)的合理調(diào)度。比較典型的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)有John Deere的 JD LINK 系統(tǒng)、AGCO的Fuse系統(tǒng)(圖20)、美國(guó)天寶(Trimble)公司的“網(wǎng)絡(luò)農(nóng)場(chǎng)系統(tǒng)”以及拓普康(Topcon)公司遠(yuǎn)程資產(chǎn)管理系統(tǒng)，其均融合了全球衛(wèi)星定位、無(wú)線移動(dòng)通訊、遠(yuǎn)程控制及物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)，最大程度地降低了農(nóng)機(jī)設(shè)備的冗余投入，使農(nóng)機(jī)作業(yè)能力與作業(yè)需求合理匹配，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，降低了整體運(yùn)營(yíng)成本。

圖20 愛科的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng) Fuse Fig.20 AGCO precision agriculture Fuse

6 結(jié)論與展望

縱觀農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程，在經(jīng)歷了動(dòng)力、傳動(dòng)、液壓、電控以及機(jī)電一體化等技術(shù)的大規(guī)模突破后，拖拉機(jī)本體的技術(shù)革新在20世紀(jì)末已趨完善，在此之后，整機(jī)的升級(jí)換代主要體現(xiàn)在部件的局部創(chuàng)新和細(xì)節(jié)完善上。

進(jìn)入21世紀(jì)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅猛，在短短20 年的時(shí)間內(nèi)，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)滲透到包括傳統(tǒng)行業(yè)在內(nèi)的各行各業(yè)內(nèi)，尤其是自2015年我國(guó)提出 “互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃以后，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)開始與現(xiàn)代制造業(yè)相結(jié)合，一種以信息化為特征的新生態(tài)的國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略開始形成，以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能農(nóng)機(jī)裝備為特征的精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)成為研究重點(diǎn)，同時(shí)，它也代表了我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的未來(lái)發(fā)展方向。拖拉機(jī)作為智能農(nóng)機(jī)裝備和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，必將在以下方面獲得長(zhǎng)足發(fā)展：

(1)高效作業(yè)

未來(lái)的高效作業(yè)，并不僅僅是拖拉機(jī)自身作業(yè)效率的提升，更是指整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的高效運(yùn)行。拖拉機(jī)作為龐大農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的一個(gè)生產(chǎn)終端，一方面，與生產(chǎn)企業(yè)(或相關(guān)服務(wù)機(jī)構(gòu))相聯(lián)通，可實(shí)現(xiàn)對(duì)拖拉機(jī)作業(yè)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦設(shè)備發(fā)生異常，則可及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施，同時(shí)，各種作業(yè)數(shù)據(jù)被上傳至相應(yīng)的服務(wù)器，經(jīng)綜合處理后，分類入庫(kù)，對(duì)拖拉機(jī)的維護(hù)、故障預(yù)測(cè)以及同類產(chǎn)品的前期設(shè)計(jì)、后期升級(jí)換代均有極其重要的參考價(jià)值；另一方面，拖拉機(jī)與目標(biāo)用戶聯(lián)網(wǎng)，可隨時(shí)響應(yīng)用戶的使用要求，按需分配機(jī)具類型、設(shè)備數(shù)量以及功率級(jí)別等，以最少的投入達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，實(shí)現(xiàn)有限農(nóng)業(yè)資源的最優(yōu)分配和高效利用，確保整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行的高效性。

(2)節(jié)能環(huán)保

為應(yīng)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化規(guī)模的不斷擴(kuò)大可能造成的石油短缺、環(huán)境污染問(wèn)題，國(guó)家對(duì)柴油機(jī)排放法規(guī)的要求必將越來(lái)越嚴(yán)格，預(yù)計(jì)國(guó)Ⅳ排放法規(guī)將會(huì)在2～3年內(nèi)推出，因而，各種機(jī)內(nèi)凈化、機(jī)外尾氣處理技術(shù)及其組合方案會(huì)在拖拉機(jī)上得到更廣泛的應(yīng)用，以最大限度地降低整機(jī)排放；同時(shí)，以高比能量動(dòng)力蓄電池、生物甲烷等新型替代能源為動(dòng)力的新能源技術(shù)將與傳統(tǒng)動(dòng)力并行發(fā)展，以求在新的能源領(lǐng)域獲得技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)機(jī)組作業(yè)時(shí)的零排放、無(wú)污染、低噪聲和高效率，從根本上解決農(nóng)業(yè)機(jī)械化過(guò)程中面臨的節(jié)能減排問(wèn)題。

(3)信息化與智能化

隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大和全球精細(xì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的興起，以及我國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”、“中國(guó)制造2025”和“人工智能2.0”階段的到來(lái)，拖拉機(jī)機(jī)組的信息化和智能化將得到更大的發(fā)展空間，而拖拉機(jī)智能感知和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、智能決策與導(dǎo)航控制技術(shù)、智能動(dòng)力驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)管控技術(shù)，作為拖拉機(jī)智能化的共性關(guān)鍵技術(shù)，將成為未來(lái)拖拉機(jī)技術(shù)發(fā)展的新亮點(diǎn)和新方向。