棉花机械采收时，因混入质量较轻、透明且不易被发现的残地膜，给棉花的加工处理带来了极大的困难[1-4]。多年来许多学者一直致力于寻找有效去除机采棉中残地膜的方法，但收效甚微。
目前残地膜去除方法主要有：人工手动除杂方法、传统机械除杂方法[5-8]、机器视觉检测并剔除方法[9-11]、静电吸附方法[12-14]等。传统人工除杂劳动强度大、工作效率低、作业环境差，不适合推广；温浩军等[15]采用机械方法，主要利用多道工序开松棉花，使棉花和杂质分开，不仅除杂效果不理想，还对棉花品质有很大损坏，尤其对长绒棉的品质影响较大；张晨等[16]提出利用机器视觉除杂，但对于细小杂质识别效果不佳，且采用高压喷阀和风机控制较复杂，去除杂质不彻底，对工作环境要求高且成本大，不符合实际需要；郭淑霞等[12]提出利用静电吸附方法除杂，静电除杂无污染、无噪声，对工作环境要求低，对棉花品质影响小，但该文仅仅使用静电方法且未分级除杂，故除杂效果仍是不佳。BUTUNOI等[17]从电学角度研究了小麦种子的清洗以及分离小麦种子和其他种子混合物，GONTRAN等[18]利用静电吸附方法将聚乙烯薄膜和金属混合物中的聚乙烯薄膜分离出来，虽效果较佳，但没有对物料的电特性进行深入的研究。可见，静电除杂方法相对其他方法优势突出，值得重点研究。
当前有关棉花清杂的研究包括物理清洗、机械清洗、多次鼓风式、振动式和探测式除杂等。而对杂质的物理特性却鲜有研究。本课题组通过前期的试验研究，已初步确定在机采棉静电除杂过程中，除杂效果与残地膜的几何等级存在一定的相关关系。为进一步确定除杂效果与残地膜的几何等级之间的关系，本文提出一种静电与风力结合的分级除杂方法。利用图像处理提取机采棉中残地膜面积等外形特征，并将其分为3级，在自行搭建的机采棉残膜静电吸附分离平台上，针对掺有不同等级残地膜的机采棉进行不同荷电时间、飞入速度、极板电压的多因素试验，以除杂率为判别指标，获取不同级别残地膜与机采棉分离率高时的佳参数组合。
1 材料和方法
1.1 试验材料
取机采棉新陆早26号30 kg，人工控制其含水率在4%～7%之间。在30 kg机采棉中随机选取3 kg作为试验样本，采用人工方法从3 kg的机采棉中挑选出所有残地膜杂质，将其编号。由于残地膜在机采棉中形态各异，需要根据外形特征进行分级分类。
1.1.1 图像预处理
在机器视觉平台上采集图像，利用Matlab软件对从3 kg机采棉中分离出来的残地膜图像进行二值化、孔洞填充、边缘检测、边界追踪、边界细化处理[19-20]，如图1所示。然后提取出每片残地膜的周长L、面积S、圆形度C、维数D[21-22]。
1.1.2 残地膜分级
将提取的特征信息利用K-means聚类算法[23-24]进行聚类分级，输入：聚类的数目K=3(根据人工经验及分拣情况判断，残膜可分为3级，故设K=3)和包含598个(3 kg机采棉中残地膜总片数n)对象的数据库。输出：3个聚类中心。执行算法后系统可自动将残地膜进行分级，分级结果如图2所示。
由图2可以看出，Ⅰ级残地膜圆形度较大；Ⅲ级残地膜维数大，形状为复杂；各级残地膜区分度较高，分级效果良好。各等级残地膜具体参数见表1。
1.2 试验装置及工作原理
1.2.1 机采棉残地膜静电吸附平台结构
自行搭建的机采棉残地膜静电吸附分离简易平台如图3所示，主要由机架、电机、风机、绝缘传送带、绝缘石墨板组成。其中吸附箱中下极板接高压电，上极板接地。
1.2.2 工作原理
吸附平台工作时，机架以及上极板接地，下极板接高压电极。将机采棉和残地膜混合并均匀平铺在绝缘传送带上，利用荷电装置对其进行荷电。荷电完毕后，机采棉带正电，残地膜带负电[25-27]。开启传送带以某恒定速度运行，机采棉与残地膜在传送带上做匀速运动，运动至末端时做类平抛运动，并在机架下风机的吹动下进入高压静电箱。机采棉和残地膜由于本身质量和所带电量的不同，残地膜在电场中受到的电场力大于棉花的束缚力，因而实现棉花和残地膜之间的分离。
1.3 试验方法
残地膜和棉花的荷电极化程度是除杂的重要环节，而极化程度又受外界条件以及残地膜自身几何形态的影响。不同物质因其自身结构以及存在状态的复杂性，进行高压极化时，荷电时间、电压等外界因素与几何形态有着很大的联系[28-30]。故要达到较高除杂率，需要对残地膜进行细分分级，找出对各级残地膜去除时的佳影响参数，逐级去除。
利用图像处理提取机采棉中残地膜面积、周长、圆形度等特征并利用聚类算法将其分为3级，取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等级的残地膜分别与之前的人工分拣出杂质的机采棉进行混合，力求与残地膜在机采棉中原存在状态一致。这里将机采棉与Ⅰ级残地膜混合的机采棉称为1号棉花，Ⅱ级称为2号棉花，Ⅲ级称为3号棉花，原30 kg挑选剩下的27 kg机采棉称为4号棉花。在机采棉残膜静电吸附分离平台上进行试验，测定除杂率；每组试验重复做10次，取10次试验除杂率的平均值为后计算除杂率的数值。
实验室环境温度为25～28℃，相对湿度20%～40%。试验所用主要仪器：BM101型高压直流静电发生器(无锡博亚电子科技有限公司)、ZGF-200/10型直流高压发生器(武汉国电铭科电气有限公司)。
1.4 测定指标
衡量机采棉与残地膜之间分离效果的指标为除杂率，这里定义除杂率Y为清除出的残地膜质量m占原混入的残地膜质量M的百分比。
1.5 单因素试验
根据上述试验平台结构特征以及试验时发现，影响终除杂效果因素有：飞入速度、荷电时间、极板电压。为确定是否对结果产生影响，进行单因素试验设计。试验方案为：取4号棉花中的5 kg进行试验，改变一个因素，保持另外两个因素不变，记录观察试验结果。
1.6 残地膜分级响应面试验
根据单因素试验中确定的3个影响因素，采用试验设计中的响应面分析方法设计试验[31]。试验方案为：分别取1、2、3号棉花进行试验，其中自变量为：飞入速度、荷电时间、极板电压，响应值为终除杂率。各因素参数选取根据单因素试验以及大量预试验结果，荷电分离试验参数见表2。
2 试验结果与分析
2.1 单因素试验
2.1.1 除杂率与飞入速度关系
保持极板电压在40 kV，荷电时间选择35 s，设定不同的极板电压进行试验并测定除杂率。采用OriginPro8软件对试验数据进行处理[32]，图4为除杂率Y和飞入速度v之间关系曲线。从图中曲线可以看出，随着飞入速度v的增大除杂率Y也增大，但增大到4.5 m/s时，再增加速度时除杂率反而有所下降，因此佳飞入速度在4.5 m/s左右。对速度在0～4.5 m/s范围内数据进行相关性分析，得到v与Y相关系数R为0.965，说明飞入速度和除杂率相关性显着。
2.1.2 除杂率与荷电时间关系
保持极板电压在40 kV，飞入速度为4.5 m/s，设定不同的荷电时间进行试验并测定除杂率。图5为除杂率Y和荷电时间t之间关系曲线。从图中可以看出，随着荷电时间的增大除杂率也增大，但增大到35 s左右时，再增加荷电时间除杂率反而有所下降。因此佳荷电时间在35 s左右。对荷电时间在0～35 s范围内数据进行相关性分析，得到t与Y相关系数R为0.954，说明荷电时间和除杂率相关性显着。
2.1.3 除杂率与极板电压关系
保持飞入速度为4.5 m/s，荷电时间选择35 s，设定不同的极板电压进行试验并测定除杂率。图6为除杂率Y和极板电压U之间关系曲线。从图中可以看出，随着极板电压的增大除杂率也增大，但增大到了40 kV时，再增大极板电压时除杂率几乎保持不变。因此佳极板电压在40 kV左右。对极板电压在0～40 kV范围内数据进行相关性分析，得到U与Y相关系数R为0.95，说明极板电压和除杂率相关性显着。
2.2 残地膜分级响应面试验
2.2.1 1号棉花回归方程与方差显着性分析
以飞入速度v、荷电时间t、极板电压U为自变量，以除杂率Y为因变量，应用Box-Behnken响应面分析法[33-35]以及软件Design-Expert进行响应面分析方案设计，试验因素编码见表3，试验设计方案与结果见表4。A、B、C为因素编码值。
在多元线性回归方程分析中，相关系数R反映了一个变量与多个变量之间的线性相关程度。此拟合的回归方程的相关系数R=0.983，|R|接近1，说明除杂率与各个自变量组成的线性方程线性关系密切。对多元回归方程进行方差分析，方差分析结果见表5。
由表5的方差分析可知，用F检验法检验拟合方程的显着性，结果表明回归方程高度显着，结合上述相关系数R可以得出：所拟合的二次多元回归方程较为合理，能正确反映出因变量与各自变量之间的内在关系。根据回归方程，设置Y取大值，对3个自变量求解优参数组合，可得当荷电时间t=24 s、飞入速度v=4.7 m/s、极板电压U=39 kV时，除杂率Y=96.27%。同时设定实验室环境与上述试验环境保持一致，根据上述确定条件在试验平台上进行10次试验验证，取10次试验结果平均值，为96.2%。
由以上试验可分析，由于Ⅰ级残地膜的质量、面积、周长等特征相对于其他两级残地膜来说数值较小，与棉花接触面积也相对较小，因此在进行静电分离试验时所需的荷电时间较小，故在通过高压静电场做平抛运动时，只需要足够大速度则可将其分离，与拟合的回归方程相似度很高。
2.2.2 2号棉花回归方程及方差显着性分析
2号棉花试验因素编码见表6，试验设计方案与结果见表7，采用响应面分析法进行多元回归方程拟合。所得拟合回归方程为
对拟合方程进行方差检验分析，P值远小于0.000 1,说明所拟合的二次多元回归方程较为合理。根据回归方程，设置Y取大值，对3个自变量求解优参数组合。可得当荷电时间t=29.8 s、飞入速度v=5.8 m/s、吸附电压U=37.6 kV时，除杂率Y=98.19%。进行试验验证，试验结果为98.1%。
由于Ⅱ级残地膜相对于Ⅰ级残地膜面积、周长等各项特征均有所增大，在机采棉中存在状态与Ⅰ级类似，因此此类残地膜荷电吸附规律应与Ⅰ级残地膜吸附规律类似。Ⅱ级残地膜与棉花接触面积较大，在进行静电吸附试验时，为达到较满意吸附效果，荷电时间适当延长。通过回归方程可以看出，荷电时间的偏回归系数相对于Ⅰ级残地膜有所增大，试验结果与实际情况比较贴近。
2.2.3 3号棉花回归方程及方差显着性分析
3号棉花试验因素编码见表8，试验设计方案与结果见表9，同样采用响应面分析法进行多元回归方程拟合，所得拟合回归方程为
对拟合方程进行方差检验分析，P值远小于0.000 1，说明所拟合的二次多元回归方程较为合理，能正确反映出因变量与各自变量之间的内在关系。根据回归方程，设置Y取大值，对3个自变量求解优参数组合。可得当荷电时间t=30.1 s、飞入速度v=3.5 m/s、极板电压U=46.2 kV时，除杂率Y=97.87%。进行试验验证，试验结果为97.2%。
由分级结果可知，Ⅲ级残地膜与其它两级残地膜的存在状态有很大不同，与棉花接触状态也较为复杂，质量与前两种相比明显较大，因此此类残地膜为各级残地膜中难去除一种。推测与前两级残地膜荷电吸附规律有很大不同，在进行静电分离试验时，因其重力较大，由传送带进入高压极板做类平抛运动时只需要施加足够大电压即可使得残膜所受重力与静电力之和大于棉花对其的束缚力，从而实现分离。通过拟合的回归方程以及3个因素的偏回归系数可以看出，满足上述分析。
2.3 试验结果讨论
由上述回归方程以及试验结果可知，3个级别残地膜在除杂率高时的各因素参数组合不同，原因可能在于：每一级别残地膜在机采棉中存在状态有平铺舒展的、扭曲成条状的、裹在棉絮当中的等，在进行荷电极化时因极化程度不同而导致所带电荷不同，故在高压电场中所受到的静电力不同。首先从力学角度来讲，残地膜在高压静电场中所受力有静电力、重力、棉花对其束缚力、空气阻力等，因为各级残地膜特性的不同，所以分离所需要的外界影响因素不同。其次从运动学角度来讲，机采棉与残地膜从传送带进入高压静电场时的运动情况可分为两个阶段：个阶段为过渡阶段，机采棉和残地膜的混合体从传送带飞入静电场做类平抛运动；第二阶段为分离阶段，因为Ⅰ级残地膜质量较小，在机采棉中以舒展状态存在，机采棉对其束缚力较小，早被吸出，水平方向运动距离相对较短。Ⅲ级残地膜与机采棉接触状态为复杂，所以机采棉对其束缚力相对较大，又因质量较大，为达到大除杂率，在通过静电场时，水平方向运动距离则长。
3 结论
(1)在搭建的机采棉与残地膜静电分离装置平台上进行了以除杂率为判别指标的分离试验，试验证明，采用静电与风力结合的分级去除机采棉中残地膜的方法可行，且效果较好。
(2)通过单因素试验得出，本静电分离装置平台对除杂率影响显着的因素由大到小为：荷电时间、飞入速度、极板电压。
(3)为达到较高除杂率，对3个等级的残地膜分别进行了由单因素试验确定的荷电时间、飞入速度、极板电压的三因素三水平响应面试验，并对结果进行了分析，得知：不同等级的残地膜在佳分离效果时所对应的荷电时间、飞入速度、极板电压有很大区别。由残地膜面积等特征参数进行分级时，3个级别的残地膜除杂分离效果均较好。分级去除时残地膜的几何特征对除杂效果有较大影响，除杂效果与残地膜的几何等级存在相关关系。
