機采棉中殘地膜靜電吸附法分級去除

王巧華 翁富炯 張洪洲 袁 成 李 理

(1.華中農業大學工學院， 武漢 430070； 2.農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室， 武漢 430070；3.塔里木大學機械電氣化工程學院， 阿拉爾 843300)

0 引言

棉花機械采收時，因混入質量較輕、透明且不易被發現的殘地膜，給棉花的加工處理帶來了極大的困難[1-4]。多年來許多學者一直致力于尋找有效去除機采棉中殘地膜的方法，但收效甚微。

目前殘地膜去除方法主要有：人工手動除雜方法、傳統機械除雜方法[5-8]、機器視覺檢測并剔除方法[9-11]、靜電吸附方法[12-14]等。傳統人工除雜勞動強度大、工作效率低、作業環境差，不適合推廣；溫浩軍等[15]采用機械方法，主要利用多道工序開松棉花，使棉花和雜質分開，不僅除雜效果不理想，還對棉花品質有很大損壞，尤其對長絨棉的品質影響較大；張晨等[16]提出利用機器視覺除雜，但對于細小雜質識別效果不佳，且采用高壓噴閥和風機控制較復雜，去除雜質不徹底，對工作環境要求高且成本大，不符合實際需要；郭淑霞等[12]提出利用靜電吸附方法除雜，靜電除雜無污染、無噪聲，對工作環境要求低，對棉花品質影響小，但該文僅僅使用靜電方法且未分級除雜，故除雜效果仍是不佳。BUTUNOI等[17]從電學角度研究了小麥種子的清洗以及分離小麥種子和其他種子混合物，GONTRAN等[18]利用靜電吸附方法將聚乙烯薄膜和金屬混合物中的聚乙烯薄膜分離出來，雖效果較佳，但沒有對物料的電特性進行深入的研究。可見，靜電除雜方法相對其他方法優勢突出，值得重點研究。

當前有關棉花清雜的研究包括物理清洗、機械清洗、多次鼓風式、振動式和探測式除雜等。而對雜質的物理特性卻鮮有研究。本課題組通過前期的試驗研究，已初步確定在機采棉靜電除雜過程中，除雜效果與殘地膜的幾何等級存在一定的相關關系。為進一步確定除雜效果與殘地膜的幾何等級之間的關系，本文提出一種靜電與風力結合的分級除雜方法。利用圖像處理提取機采棉中殘地膜面積等外形特征，并將其分為3級，在自行搭建的機采棉殘膜靜電吸附分離平臺上，針對摻有不同等級殘地膜的機采棉進行不同荷電時間、飛入速度、極板電壓的多因素試驗，以除雜率為判別指標，獲取不同級別殘地膜與機采棉分離率最高時的最佳參數組合。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

取機采棉新陸早26號30 kg，人工控制其含水率在4%～7%之間。在30 kg機采棉中隨機選取3 kg作為試驗樣本，采用人工方法從3 kg的機采棉中挑選出所有殘地膜雜質，將其編號。由于殘地膜在機采棉中形態各異，需要根據外形特征進行分級分類。

1.1.1圖像預處理

在機器視覺平臺上采集圖像，利用Matlab軟件對從3 kg機采棉中分離出來的殘地膜圖像進行二值化、孔洞填充、邊緣檢測、邊界追蹤、邊界細化處理[19-20]，如圖1所示。然后提取出每片殘地膜的周長L、面積S、圓形度C、維數D[21-22]。

圖1 殘地膜圖像處理Fig.1 Residual plastic film image processing

1.1.2殘地膜分級

將提取的特征信息利用K-means聚類算法[23-24]進行聚類分級，輸入：聚類的數目K=3(根據人工經驗及分揀情況判斷，殘膜可分為3級，故設K=3)和包含598個(3 kg機采棉中殘地膜總片數n)對象的數據庫。輸出：3個聚類中心。執行算法后系統可自動將殘地膜進行分級，分級結果如圖2所示。

圖2 殘地膜分級結果Fig.2 Residual plastic film classification results

由圖2可以看出，Ⅰ級殘地膜圓形度較大；Ⅲ級殘地膜維數最大，形狀最為復雜；各級殘地膜區分度較高，分級效果良好。各等級殘地膜具體參數見表1。

表1 各等級殘地膜參數Tab.1 Residual plastic film parameters of each grade

1.2 試驗裝置及工作原理

1.2.1機采棉殘地膜靜電吸附平臺結構

自行搭建的機采棉殘地膜靜電吸附分離簡易平臺如圖3所示，主要由機架、電機、風機、絕緣傳送帶、絕緣石墨板組成。其中吸附箱中下極板接高壓電，上極板接地。

圖3 機采棉殘地膜靜電吸附分離平臺結構示意圖Fig.3 Schematic of removing impurities from cotton based on electrostatic1.絕緣傳送帶 2.機架 3.電機 4.風機 5.接高壓電的石墨板 6.絕緣石墨板 7.絕緣石墨板(接地)

1.2.2工作原理

吸附平臺工作時，機架以及上極板接地，下極板接高壓電極。將機采棉和殘地膜混合并均勻平鋪在絕緣傳送帶上，利用荷電裝置對其進行荷電。荷電完畢后，機采棉帶正電，殘地膜帶負電[25-27]。開啟傳送帶以某恒定速度運行，機采棉與殘地膜在傳送帶上做勻速運動，運動至末端時做類平拋運動，并在機架下風機的吹動下進入高壓靜電箱。機采棉和殘地膜由于本身質量和所帶電量的不同，殘地膜在電場中受到的電場力大于棉花的束縛力，因而實現棉花和殘地膜之間的分離。

1.3 試驗方法

殘地膜和棉花的荷電極化程度是除雜的重要環節，而極化程度又受外界條件以及殘地膜自身幾何形態的影響。不同物質因其自身結構以及存在狀態的復雜性，進行高壓極化時，荷電時間、電壓等外界因素與幾何形態有著很大的聯系[28-30]。故要達到較高除雜率，需要對殘地膜進行細分分級，找出對各級殘地膜去除時的最佳影響參數，逐級去除。

利用圖像處理提取機采棉中殘地膜面積、周長、圓形度等特征并利用聚類算法將其分為3級，取Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等級的殘地膜分別與之前的人工分揀出雜質的機采棉進行混合，力求與殘地膜在機采棉中原存在狀態一致。這里將機采棉與Ⅰ級殘地膜混合的機采棉稱為1號棉花，Ⅱ級稱為2號棉花，Ⅲ級稱為3號棉花，原30 kg挑選剩下的27 kg機采棉稱為4號棉花。在機采棉殘膜靜電吸附分離平臺上進行試驗，測定除雜率；每組試驗重復做10次，取10次試驗除雜率的平均值為最后計算除雜率的數值。

實驗室環境溫度為25～28℃，相對濕度20%～40%。試驗所用主要儀器：BM101型高壓直流靜電發生器(無錫博亞電子科技有限公司)、ZGF-200/10型直流高壓發生器(武漢國電銘科電氣有限公司)。

1.4 測定指標

衡量機采棉與殘地膜之間分離效果的指標為除雜率，這里定義除雜率Y為清除出的殘地膜質量m占原混入的殘地膜質量M的百分比。

1.5 單因素試驗

根據上述試驗平臺結構特征以及試驗時發現，影響最終除雜效果因素有：飛入速度、荷電時間、極板電壓。為確定是否對結果產生影響，進行單因素試驗設計。試驗方案為：取4號棉花中的5 kg進行試驗，改變一個因素，保持另外兩個因素不變，記錄觀察試驗結果。

1.6 殘地膜分級響應面試驗

根據單因素試驗中確定的3個影響因素，采用試驗設計中的響應面分析方法設計試驗[31]。試驗方案為：分別取1、2、3號棉花進行試驗，其中自變量為：飛入速度、荷電時間、極板電壓，響應值為最終除雜率。各因素參數選取根據單因素試驗以及大量預試驗結果，荷電分離試驗參數見表2。

表2 荷電分離試驗參數Tab.2 Charge separation parameters

2 試驗結果與分析

2.1 單因素試驗

2.1.1除雜率與飛入速度關系

圖4 除雜率Y與飛入速度v關系曲線Fig.4 Relationship curves of impurity removal rate and fly-in speed

保持極板電壓在40 kV，荷電時間選擇35 s，設定不同的極板電壓進行試驗并測定除雜率。采用OriginPro8軟件對試驗數據進行處理[32]，圖4為除雜率Y和飛入速度v之間關系曲線。從圖中曲線可以看出，隨著飛入速度v的增大除雜率Y也增大，但增大到4.5 m/s時，再增加速度時除雜率反而有所下降，因此最佳飛入速度在4.5 m/s左右。對速度在0～4.5 m/s范圍內數據進行相關性分析，得到v與Y相關系數R為0.965，說明飛入速度和除雜率相關性顯著。

2.1.2除雜率與荷電時間關系

保持極板電壓在40 kV，飛入速度為4.5 m/s，設定不同的荷電時間進行試驗并測定除雜率。圖5為除雜率Y和荷電時間t之間關系曲線。從圖中可以看出，隨著荷電時間的增大除雜率也增大，但增大到35 s左右時，再增加荷電時間除雜率反而有所下降。因此最佳荷電時間在35 s左右。對荷電時間在0～35 s范圍內數據進行相關性分析，得到t與Y相關系數R為0.954，說明荷電時間和除雜率相關性顯著。

圖5 除雜率Y和荷電時間t關系曲線Fig.5 Relationship curves of impurity removal rate and charge time

2.1.3除雜率與極板電壓關系

保持飛入速度為4.5 m/s，荷電時間選擇35 s，設定不同的極板電壓進行試驗并測定除雜率。圖6為除雜率Y和極板電壓U之間關系曲線。從圖中可以看出，隨著極板電壓的增大除雜率也增大，但增大到了40 kV時，再增大極板電壓時除雜率幾乎保持不變。因此最佳極板電壓在40 kV左右。對極板電壓在0～40 kV范圍內數據進行相關性分析，得到U與Y相關系數R為0.95，說明極板電壓和除雜率相關性顯著。

圖6 除雜率Y和極板電壓U關系曲線Fig.6 Relationship curves of impurity removal rate and plate voltage

2.2 殘地膜分級響應面試驗

2.2.11號棉花回歸方程與方差顯著性分析

以飛入速度v、荷電時間t、極板電壓U為自變量，以除雜率Y為因變量，應用Box-Behnken響應面分析法[33-35]以及軟件Design-Expert進行響應面分析方案設計，試驗因素編碼見表3，試驗設計方案與結果見表4。A、B、C為因素編碼值。

表3 1號棉花試驗因素編碼Tab.3 Factors and codes of test No.1 cotton

表4 1號棉花試驗設計方案與結果Tab.4 Test design plan and results of No.1 cotton

對上述試驗結果采用響應面分析法進行多元回歸方程擬合，所得擬合回歸方程為

Y=-216.145+56.625v+4.9t+5.569 5U- 0.362 5vt+0.07vU-0.016 875tU-5.38v2- 0.033 125t2-0.070 2U2

(1)

在多元線性回歸方程分析中，相關系數R反映了一個變量與多個變量之間的線性相關程度。此擬合的回歸方程的相關系數R=0.983，|R|接近1，說明除雜率與各個自變量組成的線性方程線性關系密切。對多元回歸方程進行方差分析，方差分析結果見表5。

由表5的方差分析可知，用F檢驗法檢驗擬合方程的顯著性，結果表明回歸方程高度顯著，結合上述相關系數R可以得出：所擬合的二次多元回歸方程較為合理，能正確反映出因變量與各自變量之間的內在關系。根據回歸方程，設置Y取最大值，對3個自變量求解最優參數組合，可得當荷電時間t=24 s、飛入速度v=4.7 m/s、極板電壓U=39 kV時，除雜率Y=96.27%。同時設定實驗室環境與上述試驗環境保持一致，根據上述確定條件在試驗平臺上進行10次試驗驗證，取10次試驗結果平均值，為96.2%。

表5 1號棉花回歸方程方差分析Tab.5 Variance analysis of regression equation of No.1 cotton

注：*表示顯著(P<0.05); ** 表示極顯著(P<0.01)。

由以上試驗可分析，由于Ⅰ級殘地膜的質量、面積、周長等特征相對于其他兩級殘地膜來說數值較小，與棉花接觸面積也相對較小，因此在進行靜電分離試驗時所需的荷電時間較小，故在通過高壓靜電場做平拋運動時，只需要足夠大速度則可將其分離，與擬合的回歸方程相似度很高。

2.2.22號棉花回歸方程及方差顯著性分析

2號棉花試驗因素編碼見表6，試驗設計方案與結果見表7，采用響應面分析法進行多元回歸方程擬合。所得擬合回歸方程為

Y=-207.695+25.225v+8.531 25t+5.943 25U- 0.268 75vt+0.121 25vU-0.031 562tU-
1.892 5v2-0.112 03t2-0.070 481U2

(2)

擬合回歸方程的相關系數R=0.971,|R|接近1，說明除雜率與各個自變量組成的線性方程線性關系密切。

表6 2號棉花試驗因素編碼Tab.6 Factors and codes of test No.2 cotton

表7 2號棉花試驗設計方案與結果Tab.7 Test design plan and results of No.2 cotton

對擬合方程進行方差檢驗分析，P值遠小于0.000 1,說明所擬合的二次多元回歸方程較為合理。根據回歸方程，設置Y取最大值，對3個自變量求解最優參數組合。可得當荷電時間t=29.8 s、飛入速度v=5.8 m/s、吸附電壓U=37.6 kV時，除雜率Y=98.19%。進行試驗驗證，試驗結果為98.1%。

由于Ⅱ級殘地膜相對于Ⅰ級殘地膜面積、周長等各項特征均有所增大，在機采棉中存在狀態與Ⅰ級類似，因此此類殘地膜荷電吸附規律應與Ⅰ級殘地膜吸附規律類似。Ⅱ級殘地膜與棉花接觸面積較大，在進行靜電吸附試驗時，為達到較滿意吸附效果，荷電時間適當延長。通過回歸方程可以看出，荷電時間的偏回歸系數相對于Ⅰ級殘地膜有所增大，試驗結果與實際情況比較貼近。

2.2.33號棉花回歸方程及方差顯著性分析

3號棉花試驗因素編碼見表8，試驗設計方案與結果見表9，同樣采用響應面分析法進行多元回歸方程擬合，所得擬合回歸方程為

Y=125.612 5-6.670 63t-8.275v+5.676 63U- 0.006 25vt-0.016 25tU-0.181 25vU+0.089 688t2+1.31v2-0.049 287U2 (3)

表9 3號棉花試驗設計方案與結果Tab.9 Test design plan and results of No.3 cotton

回歸方程的相關系數R=0.966，|R|接近1，說明除雜率與各個自變量組成的線性方程線性關系密切。

對擬合方程進行方差檢驗分析，P值遠小于0.000 1，說明所擬合的二次多元回歸方程較為合理，能正確反映出因變量與各自變量之間的內在關系。根據回歸方程，設置Y取最大值，對3個自變量求解最優參數組合。可得當荷電時間t=30.1 s、飛入速度v=3.5 m/s、極板電壓U=46.2 kV時，除雜率Y=97.87%。進行試驗驗證，試驗結果為97.2%。

由分級結果可知，Ⅲ級殘地膜與其它兩級殘地膜的存在狀態有很大不同，與棉花接觸狀態也較為復雜，質量與前兩種相比明顯較大，因此此類殘地膜為各級殘地膜中最難去除一種。推測與前兩級殘地膜荷電吸附規律有很大不同，在進行靜電分離試驗時，因其重力較大，由傳送帶進入高壓極板做類平拋運動時只需要施加足夠大電壓即可使得殘膜所受重力與靜電力之和大于棉花對其的束縛力，從而實現分離。通過擬合的回歸方程以及3個因素的偏回歸系數可以看出，滿足上述分析。

2.3 試驗結果討論

由上述回歸方程以及試驗結果可知，3個級別殘地膜在除雜率最高時的各因素參數組合不同，原因可能在于：每一級別殘地膜在機采棉中存在狀態有平鋪舒展的、扭曲成條狀的、裹在棉絮當中的等，在進行荷電極化時因極化程度不同而導致所帶電荷不同，故在高壓電場中所受到的靜電力不同。首先從力學角度來講，殘地膜在高壓靜電場中所受力有靜電力、重力、棉花對其束縛力、空氣阻力等，因為各級殘地膜特性的不同，所以分離所需要的外界影響因素不同。其次從運動學角度來講，機采棉與殘地膜從傳送帶進入高壓靜電場時的運動情況可分為兩個階段：第一個階段為過渡階段，機采棉和殘地膜的混合體從傳送帶飛入靜電場做類平拋運動；第二階段為分離階段，因為Ⅰ級殘地膜質量較小，在機采棉中以舒展狀態存在，機采棉對其束縛力較小，最早被吸出，水平方向運動距離相對較短。Ⅲ級殘地膜與機采棉接觸狀態最為復雜，所以機采棉對其束縛力相對較大，又因質量較大，為達到最大除雜率，在通過靜電場時，水平方向運動距離則最長。

3 結論

(1)在搭建的機采棉與殘地膜靜電分離裝置平臺上進行了以除雜率為判別指標的分離試驗，試驗證明，采用靜電與風力結合的分級去除機采棉中殘地膜的方法可行，且效果較好。

(2)通過單因素試驗得出，本靜電分離裝置平臺對除雜率影響顯著的因素由大到小為：荷電時間、飛入速度、極板電壓。

(3)為達到較高除雜率，對3個等級的殘地膜分別進行了由單因素試驗確定的荷電時間、飛入速度、極板電壓的三因素三水平響應面試驗，并對結果進行了分析，得知：不同等級的殘地膜在最佳分離效果時所對應的荷電時間、飛入速度、極板電壓有很大區別。由殘地膜面積等特征參數進行分級時，3個級別的殘地膜除雜分離效果均較好。分級去除時殘地膜的幾何特征對除雜效果有較大影響，除雜效果與殘地膜的幾何等級存在相關關系。