馮英杰，蔣高明，吳光軍，金 帥

(1.江南大學(xué) 針織技術(shù)教育部工程研究中心，江蘇 無錫 214122；2.山東如意科技集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000)

膝關(guān)節(jié)病痛已成為困擾國人的一大重要健康問題，且患者呈現(xiàn)出年輕化的趨勢。在非體育專業(yè)大學(xué)生中有膝關(guān)節(jié)疼痛癥狀的大學(xué)生比例為13.96%[1]，在體育專業(yè)大學(xué)生中比例為35.54%，運(yùn)動創(chuàng)傷是發(fā)生膝關(guān)節(jié)疼痛的重要原因[2]。運(yùn)動時(shí)動作不規(guī)范及意外情況都有可能對膝關(guān)節(jié)造成損傷，佩戴合適的運(yùn)動護(hù)膝是簡單有效的膝關(guān)節(jié)保護(hù)方式[3]。

為提高對膝關(guān)節(jié)的保護(hù)效果，運(yùn)動護(hù)膝通常在膝蓋前部添加硅膠材質(zhì)的墊片，受到撞擊時(shí)硅膠墊片可起到緩沖作用[4]；運(yùn)動護(hù)膝的側(cè)面添加具有一定剛性和彈性的彈簧條，在做急轉(zhuǎn)、跳躍等動作時(shí)對膝關(guān)節(jié)起到支撐作用。以往研究表明，結(jié)合半剛性護(hù)膝的硅膠墊片、可彎曲彈簧條的彈性護(hù)膝，可將功能性和舒適性結(jié)合[5]。在傳統(tǒng)的運(yùn)動護(hù)膝生產(chǎn)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(hù)膝內(nèi)部，工藝復(fù)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(hù)層，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)護(hù)膝的硅膠墊片；在護(hù)膝兩側(cè)編織雙層空氣層結(jié)構(gòu)，可在空氣層內(nèi)部放置彈簧條。本文方法改變了傳統(tǒng)運(yùn)動護(hù)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(jī)機(jī)構(gòu)

1.1 橫機(jī)織針

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

圖1 全成形復(fù)合針暫持紗環(huán)狀態(tài)

1.2 自跑式紗嘴

SWG091-N2機(jī)器配有10把紗嘴，從機(jī)前到機(jī)后依次為1～10號紗嘴，自跑式紗嘴無需機(jī)頭帶動，由電動機(jī)驅(qū)動紗嘴帶紗編織，因此可無視機(jī)頭的行進(jìn)方向獨(dú)立移動，避免機(jī)頭空移動的規(guī)程，提高編織效率。

1.3 密度三角

SWG091-N2機(jī)器機(jī)頭在前后針床共配有4個(gè)密度馬達(dá)，前后各2個(gè)針床。其中，前針床左馬達(dá)控制機(jī)頭向左行進(jìn)時(shí)前針床的中間編織三角和右側(cè)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(qū)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(shí)現(xiàn)單獨(dú)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(jī)器在紗架右端安裝有獨(dú)立的彈性紗送紗器，可通過改變彈性紗的送紗速度，單獨(dú)控制彈性紗的線圈長度來改變織物的彈性。

2 護(hù)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(tǒng)，對7名平均年齡為24.3周歲，身體健康、體形適中的男性進(jìn)行膝部圍度采集實(shí)驗(yàn)，身體質(zhì)量指數(shù)(BMI)平均值為21.6 kg/m2。實(shí)驗(yàn)時(shí)要求受試人雙腿直立，身體自然放松。測量時(shí)采用泡沫貼對測量點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)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(shù)據(jù)如表1所示。

表1 人體膝蓋圍度數(shù)據(jù)

2.2 二維尺寸模型

將護(hù)膝視作矩形，將三維立體的護(hù)膝筒狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為二維平面紙樣，矩形中間橢圓為髕骨保護(hù)層，護(hù)膝二維紙樣如圖3所示。圖中：L、H分別為護(hù)膝平鋪狀態(tài)的長度和寬度，cm；L′、H′為髕骨保護(hù)層的高度和寬度，cm。根據(jù)織物的橫密PB和縱密PA，計(jì)算得到護(hù)膝編織的針數(shù)m與列數(shù)n和髕骨保護(hù)層的針數(shù)m′與列數(shù)n′[9]：

圖3 護(hù)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(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化公式，可以得到護(hù)膝的上機(jī)工藝模型，再通過紗線細(xì)度、整燙縮率等參數(shù)確定織物的PA、PB，然后根據(jù)表1中的膝蓋圍度數(shù)據(jù)及穿著時(shí)的彈性舒適度計(jì)算護(hù)膝的上機(jī)工藝參數(shù)m、n、m′與n′。

3 全成形運(yùn)動護(hù)膝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全成形運(yùn)動護(hù)膝通過全成形局部多層編織方法實(shí)現(xiàn)護(hù)膝的功能要求，如圖4所示。主要分為3種結(jié)構(gòu)，分別為：護(hù)膝主體圓筒狀的平紋+彈性紗集圈結(jié)構(gòu)；護(hù)膝前部髕骨保護(hù)層的間隔組織，采用提花方法設(shè)計(jì)字母KTC圖案；護(hù)膝側(cè)邊的空氣層。

圖4 護(hù)膝工藝圖

3.1 護(hù)膝主體圓筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

護(hù)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(jù)集圈間隔次數(shù)的不同，可設(shè)計(jì)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(shù)字為紗嘴號碼。

圖5 護(hù)膝主體圓筒狀的平紋+彈性紗集圈組織編織圖

3.2 護(hù)膝髕骨保護(hù)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全成形運(yùn)動護(hù)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(hù)層，如圖6(a)所示。圖中：A為貼近皮膚的內(nèi)層；B為護(hù)膝外層；C為A、B層之間的連接部分。在髕骨保護(hù)層部分，共有4層結(jié)構(gòu)，故為局部多層編織。

圖6 髕骨保護(hù)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(shù)針和后針床的偶數(shù)針編織護(hù)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(shù)針和后針床的奇數(shù)針上進(jìn)行間隔組織的編織，圖6(b)中粗實(shí)線表示圓筒，細(xì)實(shí)線表示A層和B層，虛線表示C層。C層在前后針床之間進(jìn)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(shù)針上，如圖6(c)所示，再編織圓筒部分線圈。

護(hù)膝中髕骨保護(hù)層在編織時(shí)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(gè)循環(huán)的編織過程如圖7所示，編織圖中的數(shù)字為紗嘴號碼。

圖7 髕骨保護(hù)層編織圖

3.3 護(hù)膝側(cè)邊空氣層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

兩側(cè)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(dú)使用橡筋編織進(jìn)行起頭和收口，利用橡筋的彈性加強(qiáng)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(jié)構(gòu)。

圖8 空氣層起頭編織圖

空氣層在編織時(shí)，前后針床同3.2節(jié)針位編織平紋+彈性紗集圈，在前針床偶數(shù)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(cè)閉合的空氣層結(jié)構(gòu)。當(dāng)編織圓筒前片時(shí)，將空氣層線圈移到后針床；當(dāng)編織圓筒后片時(shí)，將空氣層線圈移到前針床，圖9為護(hù)膝側(cè)邊空氣層的編織圖。

圖9 空氣層編織圖

4 全成形運(yùn)動護(hù)膝開發(fā)

對全成形運(yùn)動護(hù)膝完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，護(hù)膝上機(jī)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(hù)膝生產(chǎn)的最終效果。

4.1 原料選擇

為了保證運(yùn)動護(hù)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(hù)膝的透氣性和運(yùn)動時(shí)的舒適性，選擇66.7 tex滌綸進(jìn)行護(hù)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(hù)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(yáng)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(hù)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(hù)層中間的集圈連接，增加織物厚度，加強(qiáng)對膝關(guān)節(jié)的保護(hù)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(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，運(yùn)動護(hù)膝橫向彈性回復(fù)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(gè)因素設(shè)計(jì)二因素三水平正交試驗(yàn)。表2為織物橫向彈性回復(fù)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(shù)的不同組織；影響因素B橫密受編織時(shí)彈性紗速度的控制，設(shè)置為55、50、45共3種速度(數(shù)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(yàn)中，當(dāng)彈性紗送紗速度小于45時(shí)會發(fā)生斷紗停機(jī)，影響編織效率和成品質(zhì)量，為更好觀察實(shí)驗(yàn)效果，不同試驗(yàn)組別的差值設(shè)置為5。

表2 織物橫向彈性回復(fù)率正交分析表

根據(jù)表2中顯著性可知，組織對橫向彈性回復(fù)率的影響最大，橫密的影響次之。最優(yōu)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(shè)為45進(jìn)行編織，得到最佳的橫向彈性回復(fù)率89.26%。

4.3 紗嘴配置

全成形運(yùn)動護(hù)膝在編織不同部分時(shí)需要用到多種紗線，因其一體成形的特點(diǎn)，紗線的排布也會影響護(hù)膝的生產(chǎn)，因此要將紗線按照一定的順序穿在紗嘴內(nèi)，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(dú)立編織的區(qū)域，只在編織髕骨保護(hù)層時(shí)2個(gè)紗嘴配合使用。7號紗嘴只在編織空氣層的前針床線圈時(shí)單獨(dú)使用，編織其它部分時(shí)和10號紗嘴一起配合編織護(hù)膝的圓筒。10號紗嘴沒有獨(dú)立使用區(qū)域，8號紗嘴編織護(hù)膝圓筒和空氣層的起頭和平收。

表3 穿紗信息

4.4 護(hù)膝實(shí)物

圖11為全成形運(yùn)動護(hù)膝穿在假人模特上的正面圖和側(cè)面圖。護(hù)膝長度為33 cm，鋪平寬度為11 cm。護(hù)膝前部髕骨保護(hù)層為橢圓形，長軸為11.3 cm，短軸為8.3 cm，厚度為7 mm。在側(cè)面圖中可看到側(cè)邊空氣層的輪廓。圖12為護(hù)膝內(nèi)部空氣層的細(xì)節(jié)圖。

圖11 全成形運(yùn)動護(hù)膝實(shí)物圖

圖12 護(hù)膝局部細(xì)節(jié)圖

護(hù)膝內(nèi)部空氣層的下端是閉合狀態(tài)，如圖12(a)所示?？諝鈱拥纳隙耸情_口的，如圖12(b)所示。日常穿戴時(shí)，彈簧條放置在空氣層內(nèi)，為更加直觀地展示，如圖12(c)所示將彈簧條抽出一部分進(jìn)行拍攝。

4.6 護(hù)膝對比

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

圖13 對比圖

5 結(jié)束語

本文探索了一種雙針床電腦橫機(jī)的局部多層編織方法，通過結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和工藝實(shí)踐，使用3層立體的間隔組織作為膝蓋前部的髕骨保護(hù)層替代傳統(tǒng)運(yùn)動護(hù)膝的髕骨硅膠墊片，在質(zhì)量上減少68.2%；在側(cè)邊編織雙層空氣層結(jié)構(gòu)來固定彈簧條，改變傳統(tǒng)熱熔膠黏合布片的固定方法。

使用全成形技術(shù)編織的運(yùn)動護(hù)膝，在舒適性方面有極大改善，更加適合運(yùn)動時(shí)穿戴；在生產(chǎn)方面，因全成形一次成形的特點(diǎn)，避免編織后的裁剪，可減少原料的損耗，符合當(dāng)前綠色發(fā)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(chǎn)效率。同時(shí)運(yùn)動護(hù)膝的開發(fā)也給全成形技術(shù)的應(yīng)用拓展了方向，為開發(fā)高功能性和高附加值的針織服用產(chǎn)品提供了新的思路。