無結網編織工藝研究

袁天行， 孫志宏， 呂宏展， 李雪清， 顧生輝

(1. 東華大學 機械工程學院， 上海 201620； 2. 中國紡織機械協會， 北京 100028)

目前，國內無結網的編織主要依賴于劍桿織機和經編機[1-2]。劍桿織機生產無結網存在生產效率低、織物質量受機械精度影響較大、品質良莠不齊等問題；經編網由成圈紗編鏈套結而成[3]，織物具有彈性，網目尺寸會在一定范圍內波動，且紗線的卷曲會造成部分強度損失。考慮到無結網的結構特征，以及在工作時紗線主要承受拉力作用，利用編織技術編織無結網，可使織物內紗線屈曲減小，從而減少強度損失，且編織過程中紗線受元器件的損傷概率小，織物質量較高。

編織技術在無結網編織中的應用始于20世紀70年代前后，德國Heinz Berger等[4-5]、Harry Reichel[6]、Holm W等[7]公開無結網編織機發明專利，專利文獻例舉了網腳組織、紗錠軌道、葉輪槽口數及紗錠分布或編織機結構等內容，但是對于編織工藝中涉及的理論研究未曾提及。近年來，編織工藝的研究多傾向于對繩索、鞋帶、電纜、管狀結構和扁平組織結構等傳統織物的編織，以及現代異形編織結構，如橢圓形帶狀結構、H形結構、方形結構、分支編織等[8-9]。文獻[10]中介紹的扁平組織織物和圓形管狀織物的設計及編織工藝，采用了一種浮點長度計算方法分析紗錠排布問題；Yu等[11]介紹了一種新型的平帶編織軌道間的拼接方法，同時對這種拼接軌道的紗錠無干涉分布問題進行了研究，總結出了編織T型、工字型、十字型異形截面織物的葉輪槽口選用規律。從這些研究中可以發現，對于不同組織的織物，其編織工藝包括紗錠軌道形式、紗錠的分布規律在具有共通性的同時更有很強的針對性。以上研究的織物多為組織均勻密實的獨立體；而無結網狀織物結構可看作是多個網繩的交織，因此，已有的工藝研究成果不能完全適用于無結網的編織。

本文將在已有的編織技術研究基礎上，結合編織原理與無結網結構特征，分析無結網成型原理，以四紗網腳編織工藝作為研究對象，從紗錠運動軌道、紗錠的分布規律二個方面進行分析，研究總結紗錠無干涉分布規律，并通過實物編織實驗對所研究編織工藝進行驗證。

1 無結網的成型原理

1.1 編織技術原理

圖1為編織機工作原理示意圖[10]。在編織過程中，紗線被固定在攜紗器的錠座上，攜紗器的錠刀置于軌道盤的軌道中。在葉輪的驅動下，位于葉輪槽口處的攜紗器(紗錠)將沿著預定的軌道運動，牽引紗線以一定角度在編織點進行交織并形成織物。再由牽引輔助裝置將編織好的織物引離編織點，以便實現織物的連續成型。其中，紗錠的運動軌道、葉輪的槽口數和紗錠的分布形式同時決定織物的組織樣式。

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

1.2 無結網成型原理

網狀織物組織的基本結構是由網腳和結節構成的幾何多邊形，網腳作為多邊形的邊，可以是單根網線，也可以是多根紗線編織而成的繩，鏤空處稱為網目，1個網結連結2個網腳，4個網結可形成一個四邊網目。圖2示出無結網狀織物成型原理簡圖。網腳編織到一定長度，2個網腳交叉編織形成1個結節；交叉之后，2個網腳繼續編織至下一個節點再次交叉。依此類推，最終形成一定規格的無結網狀織物。

圖2 無結網成型原理圖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律進行纏結形成穩定的結構體。選用4根紗線進行網腳編織，2根紗線作為1組，2組紗線交替地分別進行順時針和逆時針方向纏繞，獲得圖3所示的網腳結構(圖中②和④為一組作逆時針方向纏繞的紗線，①和③為一組作順時針方向纏繞的紗線)。本文將以這種網腳結構作為研究出發點，從紗錠運動軌道形式、紗錠的分布規律二方面，展開無結網的工藝研究。

圖3 四紗網腳Fig.3 Four threads braided leg

2 無結網編織工藝的分析

2.1 紗錠運動軌道形式

采用二軌道編織方式可實現圖3所示的四紗網腳的編織成型，其軌道形式如圖4所示。其中：軌道1(虛線所示)上紗錠逆時針方向運動；軌道2(實線所示)上紗錠順時針方向運動。選4個(管狀編織最少葉輪個數)四槽口葉輪驅動紗錠。

圖4 網腳紗錠運動軌道Fig.4 Tracks and carriers on netting legs braiding plate

網結的編織成型過程，是2個相鄰網腳的8個紗錠，按一定的規律進行軌道交換從而實現2組紗線交叉編織的過程。網結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(實線所示)。在每條交織軌道上，分屬于相鄰2個網腳(如網腳Q和網腳W)的2組紗錠進行交換，同時紗線進行交織形成網結。在軌道交叉點，利用變軌轉盤實現紗錠運動軌道的切換，通過對變軌轉盤接入狀態的控制，可實現網腳和網結的有序成型：編織網腳時，變軌轉盤的弧形軌道接入；編織網結時，變軌轉盤的直線軌道接入。

圖5 網結成型紗錠運動軌道Fig.5 Tracks of carriers for braiding knots

2.2 紗錠的分布規律

葉輪的每個槽口都能安放紗錠；但是不合理的紗錠分布會導致2個或多個紗錠同時運動到1個位置點而形成干涉，因此紗錠分布規律的確定，就是要保證運動過程中紗錠不發生相互干涉，并完成預定織物的編織。

紗錠沿著軌道運動1個周期對應葉輪轉動720°，為便于分析與描述，將1個周期均分成8步，即每步對應90°的葉輪轉角，每條軌道上有8個位置點分別對應葉輪槽口位置。在圖5中截取相鄰的網腳Q和網腳W的編織軌道，對編織軌道上的槽口位置點進行編號：Q1與Q2編號、W1與W2編號分別關于X軸鏡像對稱；Q1與W1、Q2與W2編號分別關于Y軸鏡像對稱(其中Q1、Q2和W1、W2分別為網腳Q和網腳W的編織軌道1和編織軌道2)，軌道編號示意圖如圖6所示。

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

進行網腳編織時，網腳Q的2組紗錠分別在Q1和Q2軌道上運動，網腳W的2組紗錠分別在W1和W2軌道上運動；進行網結編織時，轉盤的接入使“Q1+W1”成為交織軌道1，“Q2+W2”成為交織軌道2，網腳紗錠在交織軌道上運動實現紗錠交換并完成網結編織。在交織軌道上，紗錠最少運動8步的時間(對應葉輪轉動720°)可實現8個紗錠的完全轉移，即完成1次完整的網結成型過程。可發現，無論是網腳編織還是網結編織，紗錠始終按“→0→7→0→(→0′→7′→0′→)”的順序進行轉移運動。

常用軌道上的紗錠排布規律有：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個槽口位，有2個紗錠在其上運動，優選紗錠排布周期為4的“1000”排布規律。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編號，同組紗錠所在的位置點的編號大小在編號范圍內相差排布周期的整數倍。

圖7 紗錠“1000”排布規律Fig.7 “1000” arrangement of carriers

通過分析發現，在網腳編織過程中，有可能會發生干涉的位置點有軌道1和軌道2的共位點2(2′)、3(7′)、7(3′)、6(6′)，及相鄰網腳軌道的交叉點1(1)和1′(1′)。同樣地，在網結編織過程中，可能發生干涉的位置有交織軌道1和交織軌道2的共位點，包含了以上所提到的編號位置。

將圖6中編號軌道作如圖8所示的變換。將每條軌道簡化為一個大的葉輪，葉輪的總槽口數等于軌道上槽口數總和，等效大葉輪槽口位置編號與紗錠運動軌道上的位置編號相對應，大葉輪轉向與軌道走向相對應。

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′)處不發生干涉，顯然有2和2′ 不同時存有紗錠；為保證槽口位3(7′)不發生干涉，那么當槽口3處有紗錠時，7′ 沒有紗錠，相應地，3′ 處不能有紗錠，即3和3′ 不同時存有紗錠。依此類推可得出以下結論。

1)為保證單個網腳編織時不發生干涉，Q1和Q2這2條軌道上同號槽口位不能同時攜有紗錠，即同時為“1”；W1和W2這2條軌道上同號槽口位也不能同時為“1”。

2)為保證編織過程中網腳與網腳之間紗錠不發生干涉，即交織軌道1上的紗錠不會同時運動到1槽口位，交織軌道2上的紗錠不會同時運動到1′ 槽口位，則Q1和W1這2條軌道上同號槽口位不能同時為“1”；同理，Q2和W2同號槽口位不能同時為“1”。

3)為保證網腳交織過程中紗錠不發生干涉，即2條交織軌道上的紗錠不發生干涉，則Q1和W2 2條軌道上同號槽口位不能同時為“1”；Q2和W1 2條軌道上同號槽口位不能同時為“1”。

對于以上Q1、Q2、W1、W2這4條軌道來說，每條軌道上有2個紗錠進行排布，且紗錠排布最小周期為4。基于紗錠在軌道上占位的編號不同，如表1所示，每條軌道上的2個紗錠有4種分布狀態(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條軌道上同號槽口位不同時為“1”，則4條軌道上的紗錠分布分別為表1中4種狀態之一。按照這種規律，可確定紗錠的初始分布狀態，例如：Q1和Q2這2條軌道分別選取Ⅰ和Ⅱ 2種分布狀態；W1和W2分別選取Ⅲ和Ⅳ 2種分布狀態，如圖9所示為2個網腳交織前后紗錠分布示意圖。交織后的紗錠分布狀態與交織前紗錠初始分布狀態相同，因此交織后的紗錠分布依然不會發生干涉。

在以上采用4個四槽口葉輪編織無結網的工藝研究基礎上，不考慮織物組織及其他工藝因素，使用相同的運動軌道方案，僅考慮紗錠的無干涉問題，可得出如下采用4個多槽口葉輪編織時紗錠分布規律：1)設葉輪槽口數為n(n=2,3,4，…)，每條軌道上紗錠數目為m(m=2,3,4，…)，紗錠排布周期T=2n/m(T=2,3,4,6)；2)對編織盤上葉輪槽口進行編號，編號原則與圖6編號相同；3)每組相鄰網腳共有4條軌道，為保證編織過程中紗錠不發生干涉，紗錠分布應滿足：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，k=0,±1,±2,…)。

3 織物的實證分析

為驗證上述編織工藝編織無結網的可行性并獲悉織物組織結構，以圖9所示的紗錠初始分布為例，按照紗錠在軌道上的運動走向進行無結網手工編織實驗。

編織材料為12根紗線，分為3組，即編織3個網腳。編織時，首先在紙板上繪制3個網腳編織軌道圖(如圖5所示)，并按照圖6所示對軌道進行編號，系有紗線的圖釘(作為紗錠)按照圖9所示的位置進行分布。基于圖1所示編織原理，按照紗錠在編號軌道上的運動順序，通過移動圖釘的位置實現紗線的相互交織，即可手動模擬出無結網編織過程。經過對紗線松緊度進行調整獲得如圖10(a)所示的無結網樣品圖。通過編織成型的無結網樣品，可以直觀地看出由上述無結網編織工藝編織而成的織物單元的組織結構，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 無結網編織Fig.10 Braided knotless net. (a)Knotless netting sample; (b)Knotless netting unit

由此樣品織物可以驗證本文無結網編織工藝的實用性。一方面網腳的組織滿足預期要求；另一方面網結由8根紗線兩兩一組進行交織，形成了穩定的“井”字結構，網結的位置不易滑移，獲得的網目具有很高的穩定性。

4 結 論

無結網狀織物包括網腳及網結，通常網腳可以是二紗、三紗、四紗、六紗、八紗或更多根紗線編織的股繩。文中通過對多紗無結網的編織工藝研究，得出如下結論。

1)進行編織軌道設計時，要在實現網腳編織的基礎上進一步實現網結的有序編織。網腳紗線根數不同，對應的紗錠運動軌道、葉輪規格、紗錠分布規律不盡相同。在考慮交織時紗錠運動路徑盡可能短的情況下，通過對紗錠無干涉分布規律的總結能快速獲得紗錠的可行分布方案。

2)通過織物的實物編織實驗可知，所研究的編織工藝合理可行，并且由此編織出的無結網其組織結構具有較高的穩定性，利于實現織物質量的提高。

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