全成形運動護膝結構設計及成形方法

馮英杰，蔣高明，吳光軍，金 帥

(1.江南大學 針織技術教育部工程研究中心，江蘇 無錫 214122；2.山東如意科技集團有限公司，山東 濟寧 272000)

膝關節病痛已成為困擾國人的一大重要健康問題，且患者呈現出年輕化的趨勢。在非體育專業大學生中有膝關節疼痛癥狀的大學生比例為13.96%[1]，在體育專業大學生中比例為35.54%，運動創傷是發生膝關節疼痛的重要原因[2]。運動時動作不規范及意外情況都有可能對膝關節造成損傷，佩戴合適的運動護膝是簡單有效的膝關節保護方式[3]。

為提高對膝關節的保護效果，運動護膝通常在膝蓋前部添加硅膠材質的墊片，受到撞擊時硅膠墊片可起到緩沖作用[4]；運動護膝的側面添加具有一定剛性和彈性的彈簧條，在做急轉、跳躍等動作時對膝關節起到支撐作用。以往研究表明，結合半剛性護膝的硅膠墊片、可彎曲彈簧條的彈性護膝，可將功能性和舒適性結合[5]。在傳統的運動護膝生產方式中，硅膠墊片和彈簧條使用剪裁的布片通過熱熔膠黏合固定在護膝內部，工藝復雜，人工成本高。

為此，本文提供了一種全成形局部多層的編織方法，在膝蓋前部編織多層且具有厚度的髕骨保護層，可代替傳統護膝的硅膠墊片；在護膝兩側編織雙層空氣層結構，可在空氣層內部放置彈簧條。本文方法改變了傳統運動護膝剪裁布片、熱熔膠黏合固定硅膠墊片和彈簧條的方式，縮短了工藝流程，降低了人工成本。

1 全成形電腦橫機機構

1.1 橫機織針

SWG091-N2機器采用全成形復合針(slide needle)，由針鉤和滑片2部分組成，并且可獨立上下移動[6]。移圈時，舊線圈保留在針鉤內，滑片上升接受新線圈，如圖1所示進行“暫持紗環”。

圖1 全成形復合針暫持紗環狀態

1.2 自跑式紗嘴

SWG091-N2機器配有10把紗嘴，從機前到機后依次為1～10號紗嘴，自跑式紗嘴無需機頭帶動，由電動機驅動紗嘴帶紗編織，因此可無視機頭的行進方向獨立移動，避免機頭空移動的規程，提高編織效率。

1.3 密度三角

SWG091-N2機器機頭在前后針床共配有4個密度馬達，前后各2個針床。其中，前針床左馬達控制機頭向左行進時前針床的中間編織三角和右側翻針三角。密度三角如圖2所示。中間為編織三角，左右兩邊為翻針三角[7]；編織區域除普通三角外還包括先行密度三角和彈性紗密度三角，先行密度三角和彈性紗密度三角相互配合可實現單獨控制彈性紗的彎紗深度。

圖2 密度三角示意圖

1.4 彈性紗送紗器

SWG091-N2機器在紗架右端安裝有獨立的彈性紗送紗器，可通過改變彈性紗的送紗速度，單獨控制彈性紗的線圈長度來改變織物的彈性。

2 護膝工藝模型

2.1 人體膝部尺寸采集

采用VITUS Smart XXL三維掃描系統，對7名平均年齡為24.3周歲，身體健康、體形適中的男性進行膝部圍度采集實驗，身體質量指數(BMI)平均值為21.6 kg/m2。實驗時要求受試人雙腿直立，身體自然放松。測量時采用泡沫貼對測量點進行標記，分別測量膝圍度KL、膝蓋上方10 cm圍度KUL、膝蓋下方10 cm圍度KDL[8]，具體數據如表1所示。

表1 人體膝蓋圍度數據

2.2 二維尺寸模型

將護膝視作矩形，將三維立體的護膝筒狀結構轉化為二維平面紙樣，矩形中間橢圓為髕骨保護層，護膝二維紙樣如圖3所示。圖中：L、H分別為護膝平鋪狀態的長度和寬度，cm；L′、H′為髕骨保護層的高度和寬度，cm。根據織物的橫密PB和縱密PA，計算得到護膝編織的針數m與列數n和髕骨保護層的針數m′與列數n′[9]：

圖3 護膝紙樣

L×PB=m

H×PA=n

L′×PB=m′

H′×PA=n′

通過二維紙樣與編織工藝的數學轉化公式，可以得到護膝的上機工藝模型，再通過紗線細度、整燙縮率等參數確定織物的PA、PB，然后根據表1中的膝蓋圍度數據及穿著時的彈性舒適度計算護膝的上機工藝參數m、n、m′與n′。

3 全成形運動護膝結構設計

全成形運動護膝通過全成形局部多層編織方法實現護膝的功能要求，如圖4所示。主要分為3種結構，分別為：護膝主體圓筒狀的平紋+彈性紗集圈結構；護膝前部髕骨保護層的間隔組織，采用提花方法設計字母KTC圖案；護膝側邊的空氣層。

圖4 護膝工藝圖

3.1 護膝主體圓筒結構設計

護膝主體為圓筒狀的平紋+彈性紗集圈組織，普通紗線一隔一編織平紋；橡筋編織彈性紗集圈。根據集圈間隔次數的不同，可設計3種不同的平紋+彈性紗集圈組織，分別為一隔一、一隔二、一隔三3種集圈方式。圖5為3種組織的編織圖，編織圖中數字為紗嘴號碼。

圖5 護膝主體圓筒狀的平紋+彈性紗集圈組織編織圖

3.2 護膝髕骨保護層結構設計

全成形運動護膝使用局部多層的編織方法，編織3層間隔組織作為髕骨保護層，如圖6(a)所示。圖中：A為貼近皮膚的內層；B為護膝外層；C為A、B層之間的連接部分。在髕骨保護層部分，共有4層結構，故為局部多層編織。

圖6 髕骨保護層間隔組織

采用局部多層的編織方法編織間隔組織，在前針床的奇數針和后針床的偶數針編織護膝主體圓筒狀(以下簡稱為圓筒)的平紋+彈性紗集圈。在前針床的奇數針和后針床的奇數針上進行間隔組織的編織，圖6(b)中粗實線表示圓筒，細實線表示A層和B層，虛線表示C層。C層在前后針床之間進行集圈，B層為前針床平紋，A層為后針床平紋，之后將A層的線圈翻到前針床的奇數針上，如圖6(c)所示，再編織圓筒部分線圈。

護膝中髕骨保護層在編織時有4組紗嘴，分別為：7號和10號紗嘴編織圓筒，1號和2號紗嘴編織B層，3號紗嘴編織C層，4號和5號紗嘴編織A層。1個循環的編織過程如圖7所示，編織圖中的數字為紗嘴號碼。

圖7 髕骨保護層編織圖

3.3 護膝側邊空氣層結構設計

全成形運動護膝使用局部多層的方法在護膝內部再編織一段空氣層結構[10]，如圖6(a)所示，空氣層內部放置彈簧條。

兩側空氣層為長條狀，上端開口，下端閉合，形狀尺寸與彈簧條吻合，上端、下端單獨使用橡筋編織進行起頭和收口，利用橡筋的彈性加強固定效果，防止彈簧條移動。空氣層的起頭編織如圖8所示。7號和10號紗嘴編織圓筒部分的平紋+彈性紗集圈，8號紗嘴穿橡筋在前后針床的空針上編織集圈。8號紗嘴在前針床編織的平紋通過邊緣連接在后針床，與后針床的平紋+彈性紗形成閉合的空氣層結構。

圖8 空氣層起頭編織圖

空氣層在編織時，前后針床同3.2節針位編織平紋+彈性紗集圈，在前針床偶數針的空針上編織平紋，通過集圈與后針床線圈連接形成兩側閉合的空氣層結構。當編織圓筒前片時，將空氣層線圈移到后針床；當編織圓筒后片時，將空氣層線圈移到前針床，圖9為護膝側邊空氣層的編織圖。

圖9 空氣層編織圖

4 全成形運動護膝開發

對全成形運動護膝完成結構設計后，護膝上機編織的密度、牽拉、橡筋的送紗量以及原料的選擇都會影響到護膝生產的最終效果。

4.1 原料選擇

為了保證運動護膝的彈性，選擇48 tex橡筋和44 dtex抗菌滌綸[11](浙江金霞新材料科技有限公司)2種彈性材料。為保證護膝的透氣性和運動時的舒適性，選擇66.7 tex滌綸進行護膝主體圓筒部分以及廢紗的編織；分離線采用55.6 tex黑色滌綸。

在膝蓋前方的髕骨保護層處，選擇66.67 tex駝毛(康寶萊(寧波)織造有限公司)編織圖6(a)中間隔組織的C層；選擇21 tex羊毛(張家港揚子紡紗有限公司)編織A層和B層。羊毛天然卷曲的特性可增加髕骨保護層的彈性。駝毛的紗線表面露出大量絨毛，如圖10所示。使用駝毛編織髕骨保護層中間的集圈連接，增加織物厚度，加強對膝關節的保護作用。

圖10 駝毛表面圖像

4.2 彈性紗送紗工藝及組織選擇

根據標準要求，運動護膝橫向彈性回復率必須大于或等于85%。組織和橫密是影響針織物彈性的重要因素，以組織、橫密2個因素設計二因素三水平正交試驗。表2為織物橫向彈性回復率正交分析表。影響因素A為組織，A1、A2、A3分別表示一隔一、一隔二、一隔三3種彈性紗集圈間隔次數的不同組織；影響因素B橫密受編織時彈性紗速度的控制，設置為55、50、45共3種速度(數字表示彈性紗與普通編織紗的送紗比)，分別用B1、B2、B3表示。在編織試驗中，當彈性紗送紗速度小于45時會發生斷紗停機，影響編織效率和成品質量，為更好觀察實驗效果，不同試驗組別的差值設置為5。

表2 織物橫向彈性回復率正交分析表

根據表2中顯著性可知，組織對橫向彈性回復率的影響最大，橫密的影響次之。最優水平為A3B3，即彈性紗采用一隔三的集圈，先行密度三角的橫密設為45進行編織，得到最佳的橫向彈性回復率89.26%。

4.3 紗嘴配置

全成形運動護膝在編織不同部分時需要用到多種紗線，因其一體成形的特點，紗線的排布也會影響護膝的生產，因此要將紗線按照一定的順序穿在紗嘴內，穿紗信息如表3所示。表中1號和2號紗嘴、4號和5號紗嘴沒有獨立編織的區域，只在編織髕骨保護層時2個紗嘴配合使用。7號紗嘴只在編織空氣層的前針床線圈時單獨使用，編織其它部分時和10號紗嘴一起配合編織護膝的圓筒。10號紗嘴沒有獨立使用區域，8號紗嘴編織護膝圓筒和空氣層的起頭和平收。

表3 穿紗信息

4.4 護膝實物

圖11為全成形運動護膝穿在假人模特上的正面圖和側面圖。護膝長度為33 cm，鋪平寬度為11 cm。護膝前部髕骨保護層為橢圓形，長軸為11.3 cm，短軸為8.3 cm，厚度為7 mm。在側面圖中可看到側邊空氣層的輪廓。圖12為護膝內部空氣層的細節圖。

圖11 全成形運動護膝實物圖

圖12 護膝局部細節圖

護膝內部空氣層的下端是閉合狀態，如圖12(a)所示。空氣層的上端是開口的，如圖12(b)所示。日常穿戴時，彈簧條放置在空氣層內，為更加直觀地展示，如圖12(c)所示將彈簧條抽出一部分進行拍攝。

4.6 護膝對比

圖13(a)為傳統運動護膝內部圖。剪裁形狀合適的布片用熱熔膠黏合在護膝圓筒內，固定彈簧條和硅膠墊片。圖13(b)中上方為傳統護膝使用的硅膠墊片，質量為50 g;下方為從全成形運動護膝中剪下的髕骨保護層，質量為15.9 g，質量減少68.2%，膝蓋部位質量的減輕使護膝穿著更加舒適，減少運動時的阻力和不適感。圖13(c)為全成形運動護膝髕骨保護層的截面圖。

圖13 對比圖

5 結束語

本文探索了一種雙針床電腦橫機的局部多層編織方法，通過結構的設計和工藝實踐，使用3層立體的間隔組織作為膝蓋前部的髕骨保護層替代傳統運動護膝的髕骨硅膠墊片，在質量上減少68.2%；在側邊編織雙層空氣層結構來固定彈簧條，改變傳統熱熔膠黏合布片的固定方法。

使用全成形技術編織的運動護膝，在舒適性方面有極大改善，更加適合運動時穿戴；在生產方面，因全成形一次成形的特點，避免編織后的裁剪，可減少原料的損耗，符合當前綠色發展的要求，省去后道的裁剪、縫合等工序也有利于減少人工成本，提高生產效率。同時運動護膝的開發也給全成形技術的應用拓展了方向，為開發高功能性和高附加值的針織服用產品提供了新的思路。