無(wú)結(jié)網(wǎng)編織工藝研究

袁天行， 孫志宏， 呂宏展， 李雪清， 顧生輝

(1. 東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620； 2. 中國(guó)紡織機(jī)械協(xié)會(huì)， 北京 100028)

目前，國(guó)內(nèi)無(wú)結(jié)網(wǎng)的編織主要依賴于劍桿織機(jī)和經(jīng)編機(jī)[1-2]。劍桿織機(jī)生產(chǎn)無(wú)結(jié)網(wǎng)存在生產(chǎn)效率低、織物質(zhì)量受機(jī)械精度影響較大、品質(zhì)良莠不齊等問(wèn)題；經(jīng)編網(wǎng)由成圈紗編鏈套結(jié)而成[3]，織物具有彈性，網(wǎng)目尺寸會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，且紗線的卷曲會(huì)造成部分強(qiáng)度損失?？紤]到無(wú)結(jié)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征，以及在工作時(shí)紗線主要承受拉力作用，利用編織技術(shù)編織無(wú)結(jié)網(wǎng)，可使織物內(nèi)紗線屈曲減小，從而減少?gòu)?qiáng)度損失，且編織過(guò)程中紗線受元器件的損傷概率小，織物質(zhì)量較高。

編織技術(shù)在無(wú)結(jié)網(wǎng)編織中的應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代前后，德國(guó)Heinz Berger等[4-5]、Harry Reichel[6]、Holm W等[7]公開(kāi)無(wú)結(jié)網(wǎng)編織機(jī)發(fā)明專利，專利文獻(xiàn)例舉了網(wǎng)腳組織、紗錠軌道、葉輪槽口數(shù)及紗錠分布或編織機(jī)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，但是對(duì)于編織工藝中涉及的理論研究未曾提及。近年來(lái)，編織工藝的研究多傾向于對(duì)繩索、鞋帶、電纜、管狀結(jié)構(gòu)和扁平組織結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)織物的編織，以及現(xiàn)代異形編織結(jié)構(gòu)，如橢圓形帶狀結(jié)構(gòu)、H形結(jié)構(gòu)、方形結(jié)構(gòu)、分支編織等[8-9]。文獻(xiàn)[10]中介紹的扁平組織織物和圓形管狀織物的設(shè)計(jì)及編織工藝，采用了一種浮點(diǎn)長(zhǎng)度計(jì)算方法分析紗錠排布問(wèn)題；Yu等[11]介紹了一種新型的平帶編織軌道間的拼接方法，同時(shí)對(duì)這種拼接軌道的紗錠無(wú)干涉分布問(wèn)題進(jìn)行了研究，總結(jié)出了編織T型、工字型、十字型異形截面織物的葉輪槽口選用規(guī)律。從這些研究中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同組織的織物，其編織工藝包括紗錠軌道形式、紗錠的分布規(guī)律在具有共通性的同時(shí)更有很強(qiáng)的針對(duì)性。以上研究的織物多為組織均勻密實(shí)的獨(dú)立體；而無(wú)結(jié)網(wǎng)狀織物結(jié)構(gòu)可看作是多個(gè)網(wǎng)繩的交織，因此，已有的工藝研究成果不能完全適用于無(wú)結(jié)網(wǎng)的編織。

本文將在已有的編織技術(shù)研究基礎(chǔ)上，結(jié)合編織原理與無(wú)結(jié)網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征，分析無(wú)結(jié)網(wǎng)成型原理，以四紗網(wǎng)腳編織工藝作為研究對(duì)象，從紗錠運(yùn)動(dòng)軌道、紗錠的分布規(guī)律二個(gè)方面進(jìn)行分析，研究總結(jié)紗錠無(wú)干涉分布規(guī)律，并通過(guò)實(shí)物編織實(shí)驗(yàn)對(duì)所研究編織工藝進(jìn)行驗(yàn)證。

1 無(wú)結(jié)網(wǎng)的成型原理

1.1 編織技術(shù)原理

圖1為編織機(jī)工作原理示意圖[10]。在編織過(guò)程中，紗線被固定在攜紗器的錠座上，攜紗器的錠刀置于軌道盤(pán)的軌道中。在葉輪的驅(qū)動(dòng)下，位于葉輪槽口處的攜紗器(紗錠)將沿著預(yù)定的軌道運(yùn)動(dòng)，牽引紗線以一定角度在編織點(diǎn)進(jìn)行交織并形成織物。再由牽引輔助裝置將編織好的織物引離編織點(diǎn)，以便實(shí)現(xiàn)織物的連續(xù)成型。其中，紗錠的運(yùn)動(dòng)軌道、葉輪的槽口數(shù)和紗錠的分布形式同時(shí)決定織物的組織樣式。

圖1 編織機(jī)工作原理示意圖Fig.1 General principle of braiding machine

1.2 無(wú)結(jié)網(wǎng)成型原理

網(wǎng)狀織物組織的基本結(jié)構(gòu)是由網(wǎng)腳和結(jié)節(jié)構(gòu)成的幾何多邊形，網(wǎng)腳作為多邊形的邊，可以是單根網(wǎng)線，也可以是多根紗線編織而成的繩，鏤空處稱為網(wǎng)目，1個(gè)網(wǎng)結(jié)連結(jié)2個(gè)網(wǎng)腳，4個(gè)網(wǎng)結(jié)可形成一個(gè)四邊網(wǎng)目。圖2示出無(wú)結(jié)網(wǎng)狀織物成型原理簡(jiǎn)圖。網(wǎng)腳編織到一定長(zhǎng)度，2個(gè)網(wǎng)腳交叉編織形成1個(gè)結(jié)節(jié)；交叉之后，2個(gè)網(wǎng)腳繼續(xù)編織至下一個(gè)節(jié)點(diǎn)再次交叉。依此類推，最終形成一定規(guī)格的無(wú)結(jié)網(wǎng)狀織物。

圖2 無(wú)結(jié)網(wǎng)成型原理圖Fig.2 General principle of knotless netting forming

編織物成型原理基本相同，即紗線按照一定的規(guī)律進(jìn)行纏結(jié)形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體。選用4根紗線進(jìn)行網(wǎng)腳編織，2根紗線作為1組，2組紗線交替地分別進(jìn)行順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较蚶p繞，獲得圖3所示的網(wǎng)腳結(jié)構(gòu)(圖中②和④為一組作逆時(shí)針?lè)较蚶p繞的紗線，①和③為一組作順時(shí)針?lè)较蚶p繞的紗線)。本文將以這種網(wǎng)腳結(jié)構(gòu)作為研究出發(fā)點(diǎn)，從紗錠運(yùn)動(dòng)軌道形式、紗錠的分布規(guī)律二方面，展開(kāi)無(wú)結(jié)網(wǎng)的工藝研究。

圖3 四紗網(wǎng)腳Fig.3 Four threads braided leg

2 無(wú)結(jié)網(wǎng)編織工藝的分析

2.1 紗錠運(yùn)動(dòng)軌道形式

采用二軌道編織方式可實(shí)現(xiàn)圖3所示的四紗網(wǎng)腳的編織成型，其軌道形式如圖4所示。其中：軌道1(虛線所示)上紗錠逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)；軌道2(實(shí)線所示)上紗錠順時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)動(dòng)。選4個(gè)(管狀編織最少葉輪個(gè)數(shù))四槽口葉輪驅(qū)動(dòng)紗錠。

圖4 網(wǎng)腳紗錠運(yùn)動(dòng)軌道Fig.4 Tracks and carriers on netting legs braiding plate

網(wǎng)結(jié)的編織成型過(guò)程，是2個(gè)相鄰網(wǎng)腳的8個(gè)紗錠，按一定的規(guī)律進(jìn)行軌道交換從而實(shí)現(xiàn)2組紗線交叉編織的過(guò)程。網(wǎng)結(jié)成型紗錠交換軌道如圖5所示。記為交織軌道1(虛線所示)和交織軌道2(實(shí)線所示)。在每條交織軌道上，分屬于相鄰2個(gè)網(wǎng)腳(如網(wǎng)腳Q和網(wǎng)腳W)的2組紗錠進(jìn)行交換，同時(shí)紗線進(jìn)行交織形成網(wǎng)結(jié)。在軌道交叉點(diǎn)，利用變軌轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)現(xiàn)紗錠運(yùn)動(dòng)軌道的切換，通過(guò)對(duì)變軌轉(zhuǎn)盤(pán)接入狀態(tài)的控制，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)腳和網(wǎng)結(jié)的有序成型：編織網(wǎng)腳時(shí)，變軌轉(zhuǎn)盤(pán)的弧形軌道接入；編織網(wǎng)結(jié)時(shí)，變軌轉(zhuǎn)盤(pán)的直線軌道接入。

圖5 網(wǎng)結(jié)成型紗錠運(yùn)動(dòng)軌道Fig.5 Tracks of carriers for braiding knots

2.2 紗錠的分布規(guī)律

葉輪的每個(gè)槽口都能安放紗錠；但是不合理的紗錠分布會(huì)導(dǎo)致2個(gè)或多個(gè)紗錠同時(shí)運(yùn)動(dòng)到1個(gè)位置點(diǎn)而形成干涉，因此紗錠分布規(guī)律的確定，就是要保證運(yùn)動(dòng)過(guò)程中紗錠不發(fā)生相互干涉，并完成預(yù)定織物的編織。

紗錠沿著軌道運(yùn)動(dòng)1個(gè)周期對(duì)應(yīng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)720°，為便于分析與描述，將1個(gè)周期均分成8步，即每步對(duì)應(yīng)90°的葉輪轉(zhuǎn)角，每條軌道上有8個(gè)位置點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)葉輪槽口位置。在圖5中截取相鄰的網(wǎng)腳Q和網(wǎng)腳W的編織軌道，對(duì)編織軌道上的槽口位置點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)：Q1與Q2編號(hào)、W1與W2編號(hào)分別關(guān)于X軸鏡像對(duì)稱；Q1與W1、Q2與W2編號(hào)分別關(guān)于Y軸鏡像對(duì)稱(其中Q1、Q2和W1、W2分別為網(wǎng)腳Q和網(wǎng)腳W的編織軌道1和編織軌道2)，軌道編號(hào)示意圖如圖6所示。

圖6 軌道編號(hào)示意圖Fig.6 Numbering on braiding track path. (a)Numbering on track of netting leg Q; (b)Numbering on track of netting leg W

進(jìn)行網(wǎng)腳編織時(shí)，網(wǎng)腳Q的2組紗錠分別在Q1和Q2軌道上運(yùn)動(dòng)，網(wǎng)腳W的2組紗錠分別在W1和W2軌道上運(yùn)動(dòng)；進(jìn)行網(wǎng)結(jié)編織時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)的接入使“Q1+W1”成為交織軌道1，“Q2+W2”成為交織軌道2，網(wǎng)腳紗錠在交織軌道上運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)紗錠交換并完成網(wǎng)結(jié)編織。在交織軌道上，紗錠最少運(yùn)動(dòng)8步的時(shí)間(對(duì)應(yīng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)720°)可實(shí)現(xiàn)8個(gè)紗錠的完全轉(zhuǎn)移，即完成1次完整的網(wǎng)結(jié)成型過(guò)程?？砂l(fā)現(xiàn)，無(wú)論是網(wǎng)腳編織還是網(wǎng)結(jié)編織，紗錠始終按“→0→7→0→(→0′→7′→0′→)”的順序進(jìn)行轉(zhuǎn)移運(yùn)動(dòng)。

常用軌道上的紗錠排布規(guī)律有：周期為“1+1=2”的“10”排布、周期為“1+2=3”的“100”排布、周期為“1+3=4”的“1000”排布、周期為“2+2=4”的“1100”排布等(1代表葉輪槽口攜帶紗錠，0代表槽口不攜帶紗錠)。基于每條軌道上有8個(gè)槽口位，有2個(gè)紗錠在其上運(yùn)動(dòng)，優(yōu)選紗錠排布周期為4的“1000”排布規(guī)律。圖7示出將軌道拉直后的紗錠排布示意圖。圖中“x”和“x+4”代表軌道上的位置點(diǎn)編號(hào)，同組紗錠所在的位置點(diǎn)的編號(hào)大小在編號(hào)范圍內(nèi)相差排布周期的整數(shù)倍。

圖7 紗錠“1000”排布規(guī)律Fig.7 “1000” arrangement of carriers

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)腳編織過(guò)程中，有可能會(huì)發(fā)生干涉的位置點(diǎn)有軌道1和軌道2的共位點(diǎn)2(2′)、3(7′)、7(3′)、6(6′)，及相鄰網(wǎng)腳軌道的交叉點(diǎn)1(1)和1′(1′)。同樣地，在網(wǎng)結(jié)編織過(guò)程中，可能發(fā)生干涉的位置有交織軌道1和交織軌道2的共位點(diǎn)，包含了以上所提到的編號(hào)位置。

將圖6中編號(hào)軌道作如圖8所示的變換。將每條軌道簡(jiǎn)化為一個(gè)大的葉輪，葉輪的總槽口數(shù)等于軌道上槽口數(shù)總和，等效大葉輪槽口位置編號(hào)與紗錠運(yùn)動(dòng)軌道上的位置編號(hào)相對(duì)應(yīng)，大葉輪轉(zhuǎn)向與軌道走向相對(duì)應(yīng)。

圖8 軌道變換示意圖Fig.8 Transformation of net knot braiding track path. (a)Track transformation of netting leg Q; (b)Track transformation of netting leg W

為保證槽口位2(2′)處不發(fā)生干涉，顯然有2和2′ 不同時(shí)存有紗錠；為保證槽口位3(7′)不發(fā)生干涉，那么當(dāng)槽口3處有紗錠時(shí)，7′ 沒(méi)有紗錠，相應(yīng)地，3′ 處不能有紗錠，即3和3′ 不同時(shí)存有紗錠。依此類推可得出以下結(jié)論。

1)為保證單個(gè)網(wǎng)腳編織時(shí)不發(fā)生干涉，Q1和Q2這2條軌道上同號(hào)槽口位不能同時(shí)攜有紗錠，即同時(shí)為“1”；W1和W2這2條軌道上同號(hào)槽口位也不能同時(shí)為“1”。

2)為保證編織過(guò)程中網(wǎng)腳與網(wǎng)腳之間紗錠不發(fā)生干涉，即交織軌道1上的紗錠不會(huì)同時(shí)運(yùn)動(dòng)到1槽口位，交織軌道2上的紗錠不會(huì)同時(shí)運(yùn)動(dòng)到1′ 槽口位，則Q1和W1這2條軌道上同號(hào)槽口位不能同時(shí)為“1”；同理，Q2和W2同號(hào)槽口位不能同時(shí)為“1”。

3)為保證網(wǎng)腳交織過(guò)程中紗錠不發(fā)生干涉，即2條交織軌道上的紗錠不發(fā)生干涉，則Q1和W2 2條軌道上同號(hào)槽口位不能同時(shí)為“1”；Q2和W1 2條軌道上同號(hào)槽口位不能同時(shí)為“1”。

對(duì)于以上Q1、Q2、W1、W2這4條軌道來(lái)說(shuō)，每條軌道上有2個(gè)紗錠進(jìn)行排布，且紗錠排布最小周期為4?；诩嗗V在軌道上占位的編號(hào)不同，如表1所示，每條軌道上的2個(gè)紗錠有4種分布狀態(tài)(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)，分別表示紗錠在不同的槽口位。

表1 紗錠的分布Tab.1 Arrangements of carriers for net knot braiding

為滿足不干涉條件，每2條軌道上同號(hào)槽口位不同時(shí)為“1”，則4條軌道上的紗錠分布分別為表1中4種狀態(tài)之一。按照這種規(guī)律，可確定紗錠的初始分布狀態(tài)，例如：Q1和Q2這2條軌道分別選?、窈廷?2種分布狀態(tài)；W1和W2分別選?、蠛廷?2種分布狀態(tài)，如圖9所示為2個(gè)網(wǎng)腳交織前后紗錠分布示意圖。交織后的紗錠分布狀態(tài)與交織前紗錠初始分布狀態(tài)相同，因此交織后的紗錠分布依然不會(huì)發(fā)生干涉。

在以上采用4個(gè)四槽口葉輪編織無(wú)結(jié)網(wǎng)的工藝研究基礎(chǔ)上，不考慮織物組織及其他工藝因素，使用相同的運(yùn)動(dòng)軌道方案，僅考慮紗錠的無(wú)干涉問(wèn)題，可得出如下采用4個(gè)多槽口葉輪編織時(shí)紗錠分布規(guī)律：1)設(shè)葉輪槽口數(shù)為n(n=2,3,4，…)，每條軌道上紗錠數(shù)目為m(m=2,3,4，…)，紗錠排布周期T=2n/m(T=2,3,4,6)；2)對(duì)編織盤(pán)上葉輪槽口進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)原則與圖6編號(hào)相同；3)每組相鄰網(wǎng)腳共有4條軌道，為保證編織過(guò)程中紗錠不發(fā)生干涉，紗錠分布應(yīng)滿足：在任意2條軌道上有x2≠x1+kT(x1、x2分別為2條軌道上紗錠所在槽口的編號(hào)，k=0,±1,±2,…)。

3 織物的實(shí)證分析

為驗(yàn)證上述編織工藝編織無(wú)結(jié)網(wǎng)的可行性并獲悉織物組織結(jié)構(gòu)，以圖9所示的紗錠初始分布為例，按照紗錠在軌道上的運(yùn)動(dòng)走向進(jìn)行無(wú)結(jié)網(wǎng)手工編織實(shí)驗(yàn)。

編織材料為12根紗線，分為3組，即編織3個(gè)網(wǎng)腳。編織時(shí)，首先在紙板上繪制3個(gè)網(wǎng)腳編織軌道圖(如圖5所示)，并按照?qǐng)D6所示對(duì)軌道進(jìn)行編號(hào)，系有紗線的圖釘(作為紗錠)按照?qǐng)D9所示的位置進(jìn)行分布。基于圖1所示編織原理，按照紗錠在編號(hào)軌道上的運(yùn)動(dòng)順序，通過(guò)移動(dòng)圖釘?shù)奈恢脤?shí)現(xiàn)紗線的相互交織，即可手動(dòng)模擬出無(wú)結(jié)網(wǎng)編織過(guò)程。經(jīng)過(guò)對(duì)紗線松緊度進(jìn)行調(diào)整獲得如圖10(a)所示的無(wú)結(jié)網(wǎng)樣品圖。通過(guò)編織成型的無(wú)結(jié)網(wǎng)樣品，可以直觀地看出由上述無(wú)結(jié)網(wǎng)編織工藝編織而成的織物單元的組織結(jié)構(gòu)，如圖10(b)所示。

圖9 紗錠分布示意圖Fig.9 Arrangements of carriers for knot braiding

圖10 無(wú)結(jié)網(wǎng)編織Fig.10 Braided knotless net. (a)Knotless netting sample; (b)Knotless netting unit

由此樣品織物可以驗(yàn)證本文無(wú)結(jié)網(wǎng)編織工藝的實(shí)用性。一方面網(wǎng)腳的組織滿足預(yù)期要求；另一方面網(wǎng)結(jié)由8根紗線兩兩一組進(jìn)行交織，形成了穩(wěn)定的“井”字結(jié)構(gòu)，網(wǎng)結(jié)的位置不易滑移，獲得的網(wǎng)目具有很高的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

無(wú)結(jié)網(wǎng)狀織物包括網(wǎng)腳及網(wǎng)結(jié)，通常網(wǎng)腳可以是二紗、三紗、四紗、六紗、八紗或更多根紗線編織的股繩。文中通過(guò)對(duì)多紗無(wú)結(jié)網(wǎng)的編織工藝研究，得出如下結(jié)論。

1)進(jìn)行編織軌道設(shè)計(jì)時(shí)，要在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)腳編織的基礎(chǔ)上進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)網(wǎng)結(jié)的有序編織。網(wǎng)腳紗線根數(shù)不同，對(duì)應(yīng)的紗錠運(yùn)動(dòng)軌道、葉輪規(guī)格、紗錠分布規(guī)律不盡相同。在考慮交織時(shí)紗錠運(yùn)動(dòng)路徑盡可能短的情況下，通過(guò)對(duì)紗錠無(wú)干涉分布規(guī)律的總結(jié)能快速獲得紗錠的可行分布方案。

2)通過(guò)織物的實(shí)物編織實(shí)驗(yàn)可知，所研究的編織工藝合理可行，并且由此編織出的無(wú)結(jié)網(wǎng)其組織結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性，利于實(shí)現(xiàn)織物質(zhì)量的提高。

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