全成形运动护膝结构设计及成形方法

冯英杰，蒋高明，吴光军，金 帅

(1.江南大学 针织技术教育部工程研究中心，江苏 无锡 214122；2.山东如意科技集团有限公司，山东 济宁 272000)

膝关节病痛已成为困扰国人的一大重要健康问题，且患者呈现出年轻化的趋势。在非体育专业大学生中有膝关节疼痛症状的大学生比例为13.96%[1]，在体育专业大学生中比例为35.54%，运动创伤是发生膝关节疼痛的重要原因[2]。运动时动作不规范及意外情况都有可能对膝关节造成损伤，佩戴合适的运动护膝是简单有效的膝关节保护方式[3]。

为提高对膝关节的保护效果，运动护膝通常在膝盖前部添加硅胶材质的垫片，受到撞击时硅胶垫片可起到缓冲作用[4]；运动护膝的侧面添加具有一定刚性和弹性的弹簧条，在做急转、跳跃等动作时对膝关节起到支撑作用。以往研究表明，结合半刚性护膝的硅胶垫片、可弯曲弹簧条的弹性护膝，可将功能性和舒适性结合[5]。在传统的运动护膝生产方式中，硅胶垫片和弹簧条使用剪裁的布片通过热熔胶黏合固定在护膝内部，工艺复杂，人工成本高。

为此，本文提供了一种全成形局部多层的编织方法，在膝盖前部编织多层且具有厚度的髌骨保护层，可代替传统护膝的硅胶垫片；在护膝两侧编织双层空气层结构，可在空气层内部放置弹簧条。本文方法改变了传统运动护膝剪裁布片、热熔胶黏合固定硅胶垫片和弹簧条的方式，缩短了工艺流程，降低了人工成本。

1 全成形电脑横机机构

1.1 横机织针

SWG091-N2机器采用全成形复合针(slide needle)，由针钩和滑片2部分组成，并且可独立上下移动[6]。移圈时，旧线圈保留在针钩内，滑片上升接受新线圈，如图1所示进行“暂持纱环”。

图1 全成形复合针暂持纱环状态

1.2 自跑式纱嘴

SWG091-N2机器配有10把纱嘴，从机前到机后依次为1～10号纱嘴，自跑式纱嘴无需机头带动，由电动机驱动纱嘴带纱编织，因此可无视机头的行进方向独立移动，避免机头空移动的规程，提高编织效率。

1.3 密度三角

SWG091-N2机器机头在前后针床共配有4个密度马达，前后各2个针床。其中，前针床左马达控制机头向左行进时前针床的中间编织三角和右侧翻针三角。密度三角如图2所示。中间为编织三角，左右两边为翻针三角[7]；编织区域除普通三角外还包括先行密度三角和弹性纱密度三角，先行密度三角和弹性纱密度三角相互配合可实现单独控制弹性纱的弯纱深度。

图2 密度三角示意图

1.4 弹性纱送纱器

SWG091-N2机器在纱架右端安装有独立的弹性纱送纱器，可通过改变弹性纱的送纱速度，单独控制弹性纱的线圈长度来改变织物的弹性。

2 护膝工艺模型

2.1 人体膝部尺寸采集

采用VITUS Smart XXL三维扫描系统，对7名平均年龄为24.3周岁，身体健康、体形适中的男性进行膝部围度采集实验，身体质量指数(BMI)平均值为21.6 kg/m2。实验时要求受试人双腿直立，身体自然放松。测量时采用泡沫贴对测量点进行标记，分别测量膝围度KL、膝盖上方10 cm围度KUL、膝盖下方10 cm围度KDL[8]，具体数据如表1所示。

表1 人体膝盖围度数据

2.2 二维尺寸模型

将护膝视作矩形，将三维立体的护膝筒状结构转化为二维平面纸样，矩形中间椭圆为髌骨保护层，护膝二维纸样如图3所示。图中：L、H分别为护膝平铺状态的长度和宽度，cm；L′、H′为髌骨保护层的高度和宽度，cm。根据织物的横密PB和纵密PA，计算得到护膝编织的针数m与列数n和髌骨保护层的针数m′与列数n′[9]：

图3 护膝纸样

L×PB=m

H×PA=n

L′×PB=m′

H′×PA=n′

通过二维纸样与编织工艺的数学转化公式，可以得到护膝的上机工艺模型，再通过纱线细度、整烫缩率等参数确定织物的PA、PB，然后根据表1中的膝盖围度数据及穿着时的弹性舒适度计算护膝的上机工艺参数m、n、m′与n′。

3 全成形运动护膝结构设计

全成形运动护膝通过全成形局部多层编织方法实现护膝的功能要求，如图4所示。主要分为3种结构，分别为：护膝主体圆筒状的平纹+弹性纱集圈结构；护膝前部髌骨保护层的间隔组织，采用提花方法设计字母KTC图案；护膝侧边的空气层。

图4 护膝工艺图

3.1 护膝主体圆筒结构设计

护膝主体为圆筒状的平纹+弹性纱集圈组织，普通纱线一隔一编织平纹；橡筋编织弹性纱集圈。根据集圈间隔次数的不同，可设计3种不同的平纹+弹性纱集圈组织，分别为一隔一、一隔二、一隔三3种集圈方式。图5为3种组织的编织图，编织图中数字为纱嘴号码。

图5 护膝主体圆筒状的平纹+弹性纱集圈组织编织图

3.2 护膝髌骨保护层结构设计

全成形运动护膝使用局部多层的编织方法，编织3层间隔组织作为髌骨保护层，如图6(a)所示。图中：A为贴近皮肤的内层；B为护膝外层；C为A、B层之间的连接部分。在髌骨保护层部分，共有4层结构，故为局部多层编织。

图6 髌骨保护层间隔组织

采用局部多层的编织方法编织间隔组织，在前针床的奇数针和后针床的偶数针编织护膝主体圆筒状(以下简称为圆筒)的平纹+弹性纱集圈。在前针床的奇数针和后针床的奇数针上进行间隔组织的编织，图6(b)中粗实线表示圆筒，细实线表示A层和B层，虚线表示C层。C层在前后针床之间进行集圈，B层为前针床平纹，A层为后针床平纹，之后将A层的线圈翻到前针床的奇数针上，如图6(c)所示，再编织圆筒部分线圈。

护膝中髌骨保护层在编织时有4组纱嘴，分别为：7号和10号纱嘴编织圆筒，1号和2号纱嘴编织B层，3号纱嘴编织C层，4号和5号纱嘴编织A层。1个循环的编织过程如图7所示，编织图中的数字为纱嘴号码。

图7 髌骨保护层编织图

3.3 护膝侧边空气层结构设计

全成形运动护膝使用局部多层的方法在护膝内部再编织一段空气层结构[10]，如图6(a)所示，空气层内部放置弹簧条。

两侧空气层为长条状，上端开口，下端闭合，形状尺寸与弹簧条吻合，上端、下端单独使用橡筋编织进行起头和收口，利用橡筋的弹性加强固定效果，防止弹簧条移动。空气层的起头编织如图8所示。7号和10号纱嘴编织圆筒部分的平纹+弹性纱集圈，8号纱嘴穿橡筋在前后针床的空针上编织集圈。8号纱嘴在前针床编织的平纹通过边缘连接在后针床，与后针床的平纹+弹性纱形成闭合的空气层结构。

图8 空气层起头编织图

空气层在编织时，前后针床同3.2节针位编织平纹+弹性纱集圈，在前针床偶数针的空针上编织平纹，通过集圈与后针床线圈连接形成两侧闭合的空气层结构。当编织圆筒前片时，将空气层线圈移到后针床；当编织圆筒后片时，将空气层线圈移到前针床，图9为护膝侧边空气层的编织图。

图9 空气层编织图

4 全成形运动护膝开发

对全成形运动护膝完成结构设计后，护膝上机编织的密度、牵拉、橡筋的送纱量以及原料的选择都会影响到护膝生产的最终效果。

4.1 原料选择

为了保证运动护膝的弹性，选择48 tex橡筋和44 dtex抗菌涤纶[11](浙江金霞新材料科技有限公司)2种弹性材料。为保证护膝的透气性和运动时的舒适性，选择66.7 tex涤纶进行护膝主体圆筒部分以及废纱的编织；分离线采用55.6 tex黑色涤纶。

在膝盖前方的髌骨保护层处，选择66.67 tex驼毛(康宝莱(宁波)织造有限公司)编织图6(a)中间隔组织的C层；选择21 tex羊毛(张家港扬子纺纱有限公司)编织A层和B层。羊毛天然卷曲的特性可增加髌骨保护层的弹性。驼毛的纱线表面露出大量绒毛，如图10所示。使用驼毛编织髌骨保护层中间的集圈连接，增加织物厚度，加强对膝关节的保护作用。

图10 驼毛表面图像

4.2 弹性纱送纱工艺及组织选择

根据标准要求，运动护膝横向弹性回复率必须大于或等于85%。组织和横密是影响针织物弹性的重要因素，以组织、横密2个因素设计二因素三水平正交试验。表2为织物横向弹性回复率正交分析表。影响因素A为组织，A1、A2、A3分别表示一隔一、一隔二、一隔三3种弹性纱集圈间隔次数的不同组织；影响因素B横密受编织时弹性纱速度的控制，设置为55、50、45共3种速度(数字表示弹性纱与普通编织纱的送纱比)，分别用B1、B2、B3表示。在编织试验中，当弹性纱送纱速度小于45时会发生断纱停机，影响编织效率和成品质量，为更好观察实验效果，不同试验组别的差值设置为5。

表2 织物横向弹性回复率正交分析表

根据表2中显著性可知，组织对横向弹性回复率的影响最大，横密的影响次之。最优水平为A3B3，即弹性纱采用一隔三的集圈，先行密度三角的横密设为45进行编织，得到最佳的横向弹性回复率89.26%。

4.3 纱嘴配置

全成形运动护膝在编织不同部分时需要用到多种纱线，因其一体成形的特点，纱线的排布也会影响护膝的生产，因此要将纱线按照一定的顺序穿在纱嘴内，穿纱信息如表3所示。表中1号和2号纱嘴、4号和5号纱嘴没有独立编织的区域，只在编织髌骨保护层时2个纱嘴配合使用。7号纱嘴只在编织空气层的前针床线圈时单独使用，编织其它部分时和10号纱嘴一起配合编织护膝的圆筒。10号纱嘴没有独立使用区域，8号纱嘴编织护膝圆筒和空气层的起头和平收。

表3 穿纱信息

4.4 护膝实物

图11为全成形运动护膝穿在假人模特上的正面图和侧面图。护膝长度为33 cm，铺平宽度为11 cm。护膝前部髌骨保护层为椭圆形，长轴为11.3 cm，短轴为8.3 cm，厚度为7 mm。在侧面图中可看到侧边空气层的轮廓。图12为护膝内部空气层的细节图。

图11 全成形运动护膝实物图

图12 护膝局部细节图

护膝内部空气层的下端是闭合状态，如图12(a)所示。空气层的上端是开口的，如图12(b)所示。日常穿戴时，弹簧条放置在空气层内，为更加直观地展示，如图12(c)所示将弹簧条抽出一部分进行拍摄。

4.6 护膝对比

图13(a)为传统运动护膝内部图。剪裁形状合适的布片用热熔胶黏合在护膝圆筒内，固定弹簧条和硅胶垫片。图13(b)中上方为传统护膝使用的硅胶垫片，质量为50 g;下方为从全成形运动护膝中剪下的髌骨保护层，质量为15.9 g，质量减少68.2%，膝盖部位质量的减轻使护膝穿着更加舒适，减少运动时的阻力和不适感。图13(c)为全成形运动护膝髌骨保护层的截面图。

图13 对比图

5 结束语

本文探索了一种双针床电脑横机的局部多层编织方法，通过结构的设计和工艺实践，使用3层立体的间隔组织作为膝盖前部的髌骨保护层替代传统运动护膝的髌骨硅胶垫片，在质量上减少68.2%；在侧边编织双层空气层结构来固定弹簧条，改变传统热熔胶黏合布片的固定方法。

使用全成形技术编织的运动护膝，在舒适性方面有极大改善，更加适合运动时穿戴；在生产方面，因全成形一次成形的特点，避免编织后的裁剪，可减少原料的损耗，符合当前绿色发展的要求，省去后道的裁剪、缝合等工序也有利于减少人工成本，提高生产效率。同时运动护膝的开发也给全成形技术的应用拓展了方向，为开发高功能性和高附加值的针织服用产品提供了新的思路。