袁天行， 孫志宏， 呂宏展， 李雪清， 顧生輝

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

目前，國內(nèi)無結(jié)網(wǎng)的編織主要依賴于劍桿織機和經(jīng)編機[1-2]。劍桿織機生產(chǎn)無結(jié)網(wǎng)存在生產(chǎn)效率低、織物質(zhì)量受機械精度影響較大、品質(zhì)良莠不齊等問題；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)目尺寸會在一定范圍內(nèi)波動，且紗線的卷曲會造成部分強度損失?？紤]到無結(jié)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)特征，以及在工作時紗線主要承受拉力作用，利用編織技術(shù)編織無結(jié)網(wǎng)，可使織物內(nèi)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(zhì)量較高。

編織技術(shù)在無結(jié)網(wǎng)編織中的應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代前后，德國Heinz Berger等[4-5]、Harry Reichel[6]、Holm W等[7]公開無結(jié)網(wǎng)編織機發(fā)明專利，專利文獻例舉了網(wǎng)腳組織、紗錠軌道、葉輪槽口數(shù)及紗錠分布或編織機結(jié)構(gòu)等內(nèi)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(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[10]中介紹的扁平組織織物和圓形管狀織物的設(shè)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(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(jié)網(wǎng)狀織物結(jié)構(gòu)可看作是多個網(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)合編織原理與無結(jié)網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征，分析無結(jié)網(wǎng)成型原理，以四紗網(wǎng)腳編織工藝作為研究對象，從紗錠運動軌道、紗錠的分布規(guī)律二個方面進行分析，研究總結(jié)紗錠無干涉分布規(guī)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(jié)網(wǎng)的成型原理

1.1 編織技術(shù)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(qū)動下，位于葉輪槽口處的攜紗器(紗錠)將沿著預(yù)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(xiàn)織物的連續(xù)成型。其中，紗錠的運動軌道、葉輪的槽口數(shù)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(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個網(wǎng)結(jié)連結(jié)2個網(wǎng)腳，4個網(wǎng)結(jié)可形成一個四邊網(wǎng)目。圖2示出無結(jié)網(wǎng)狀織物成型原理簡圖。網(wǎng)腳編織到一定長度，2個網(wǎng)腳交叉編織形成1個結(jié)節(jié)；交叉之后，2個網(wǎng)腳繼續(xù)編織至下一個節(jié)點再次交叉。依此類推，最終形成一定規(guī)格的無結(jié)網(wǎng)狀織物。

圖2 無結(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)律進行纏結(jié)形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體。選用4根紗線進行網(wǎng)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(wǎng)腳結(jié)構(gòu)(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(wǎng)腳結(jié)構(gòu)作為研究出發(fā)點，從紗錠運動軌道形式、紗錠的分布規(guī)律二方面，展開無結(jié)網(wǎng)的工藝研究。

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

2 無結(jié)網(wǎng)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(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(shù))四槽口葉輪驅(qū)動紗錠。

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

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

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

2.2 紗錠的分布規(guī)律

葉輪的每個槽口都能安放紗錠；但是不合理的紗錠分布會導(dǎo)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(guī)律的確定，就是要保證運動過程中紗錠不發(fā)生相互干涉，并完成預(yù)定織物的編織。

紗錠沿著軌道運動1個周期對應(yīng)葉輪轉(zhuǎn)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(yīng)90°的葉輪轉(zhuǎn)角，每條軌道上有8個位置點分別對應(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(guān)于X軸鏡像對稱；Q1與W1、Q2與W2編號分別關(guān)于Y軸鏡像對稱(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(wǎng)腳編織時，網(wǎng)腳Q的2組紗錠分別在Q1和Q2軌道上運動，網(wǎng)腳W的2組紗錠分別在W1和W2軌道上運動；進行網(wǎng)結(jié)編織時，轉(zhuǎn)盤的接入使“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動實現(xiàn)紗錠交換并完成網(wǎng)結(jié)編織。在交織軌道上，紗錠最少運動8步的時間(對應(yīng)葉輪轉(zhuǎn)動720°)可實現(xiàn)8個紗錠的完全轉(zhuǎn)移，即完成1次完整的網(wǎng)結(jié)成型過程。可發(fā)現(xiàn)，無論是網(wǎng)腳編織還是網(wǎng)結(jié)編織，紗錠始終按“→0→7→0→(→0′→7′→0′→)”的順序進行轉(zhuǎn)移運動。

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)?；诿織l軌道上有8個槽口位，有2個紗錠在其上運動，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編號，同組紗錠所在的位置點的編號大小在編號范圍內(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

通過分析發(fā)現(xiàn)，在網(wǎng)腳編織過程中，有可能會發(fā)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(wǎng)腳軌道的交叉點1(1)和1′(1′)。同樣地，在網(wǎng)結(jié)編織過程中，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，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(shù)等于軌道上槽口數(shù)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(yīng)，大葉輪轉(zhuǎn)向與軌道走向相對應(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，7′ 沒有紗錠，相應(yīng)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(jié)論。

1)為保證單個網(wǎng)腳編織時不發(fā)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(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(wǎng)腳交織過程中紗錠不發(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?；诩嗗V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(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(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條軌道分別選取Ⅰ和Ⅱ 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發(fā)生干涉。

在以上采用4個四槽口葉輪編織無結(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(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(wǎng)腳共有4條軌道，為保證編織過程中紗錠不發(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，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(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動走向進行無結(jié)網(wǎng)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(wǎng)腳。編織時，首先在紙板上繪制3個網(wǎng)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?；趫D1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?shù)奈恢脤崿F(xiàn)紗線的相互交織，即可手動模擬出無結(jié)網(wǎng)編織過程。經(jīng)過對紗線松緊度進行調(diào)整獲得如圖10(a)所示的無結(jié)網(wǎng)樣品圖。通過編織成型的無結(jié)網(wǎng)樣品，可以直觀地看出由上述無結(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證本文無結(jié)網(wǎng)編織工藝的實用性。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。文中通過對多紗無結(jié)網(wǎng)的編織工藝研究，得出如下結(jié)論。

1)進行編織軌道設(shè)計時，要在實現(xiàn)網(wǎng)腳編織的基礎(chǔ)上進一步實現(xiàn)網(wǎng)結(jié)的有序編織。網(wǎng)腳紗線根數(shù)不同，對應(yīng)的紗錠運動軌道、葉輪規(guī)格、紗錠分布規(guī)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(guī)律的總結(jié)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(jié)網(wǎng)其組織結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性，利于實現(xiàn)織物質(zhì)量的提高。

FZXB