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作者简介:

刘大玮(1991—),男,2019年博士毕业于北京服装学院,现就职于中国社会科学院考古研究所文化遗产保护研究中心,研究方向为古代纺织品的保护与研究,E-mail:291949054@qq.com

中图分类号:K876.3

文献标识码:A

文章编号:1005-1538(2022)05-0113-05

DOI:10.16334/j.cnki.cn31-1652/k.20210802233

参考文献 1
国家文物局博物馆与社会文物司.博物馆纺织品文物保护技术手册[M].北京:文物出版社,2009:96.Department of Museum and Social Cultural Relics of National Cultural Heritage Administration.Technical manual for the protection of textile cultural relics in museums[M].Beijing:Cultural Relics Press,2009:96.
参考文献 2
王予予.王予予与纺织考古[M].香港:艺纱堂/服饰出版,2001:125-131.WANG Xu.Wang Xu and textile archaeology in China[M].Hong Kong:ISAT/Costume Squad Ltd.,2001:125-131.
参考文献 3
奚三彩,张永庆.两面文字脆弱纸质文物保护的丝网热压加固法[J].文物保护与考古科学,1989,1(1):12-16.XI Sancai,ZHANG Yongqing.Silk screen hot pressing reinforcement method for the protection of paper cultural relics with fragile characters on both sides[J].Sciences of Conservation and Archaeology,1989,1(1):12-16.
参考文献 4
首都博物馆.首都博物馆馆藏纺织品保护研究报告[M].北京:文物出版社,2009:137-139.Capital Museum.Research report on the protection of textiles in the collection of Capital Museum[M].Beijing:Cultural Relics Press,2009:137-139.
目录contents

    摘要

    为提供一种用于纺织品保护的便携式绕网机,以绕网机为研究对象,通过查阅文献,梳理了绕网机的发展源流与技术特征,按照传动方式分类可分为手动绕网机、电动绕网机,按照机械结构可分为立式绕网机、卧式绕网机。早期绕网机受技术条件制约,机械结构复杂,编织精度低、质量较重,不便于携带,制约了其使用环境。本研究采用三维建模技术对其绕网机的结构进行设计,结合机械力学原理,对机械材料进行优化配置,设计一种具有操作简便、编织精度高、运行稳定、移动携带便捷等优点绕网设备,以应对复杂条件下纺织品文物保护的需要。

    Abstract

    This paper is a literature review that traces the development and technical characteristics of the winding machine. The winding machine can be designated as manual and electric according to its transmission mode, and as vertical and the horizontal according to its mechanical structure. Limited by technical conditions, the early winding machine featured complex mechanical structures, low weaving accuracy, heavy weight and inconvenience for carrying, which restricted its use environment. Using the 3D modeling technology to design the winding machine structure and optimizing the configuration of mechanical materials in combination with the principles of mechanical mechanics, this research resulted in an improved winding machine. It has the advantages of simple operation, high weaving accuracy, stable operation and convenient movement and transport, so as to meet the needs of textile cultural relic conservation under complex conditions.

  • 0 引言

  • 丝网加固法,又叫PVB+单丝网加固法,是一种应用于纺织品文物保护领域的重要修复手段[1]。该技术缘起于阿尔巴尼亚羊皮书修复项目,于1971年研制成功,其是以单丝叠绕网为主体,聚乙烯醇缩丁醛为黏合剂的一整套丝网加固技术,该技术经过数十年的实际验证,已在多次出土纺织品保护以及部分纸质文物保护中取得了良好的效果,备受研究者重视。该技术主要分为两部分,即支撑材料、加固剂。绕网机是制作支撑材料的必备工具,行业内对其操作简便性、使用精准性、运行稳定性,乃至移动方便性等方面都具有一定的要求。

  • 1 技术发展的历史背景

  • 绕网机作为一种重要修复材料的制作工具而备受研究者关注。目前,已有绕网机按照传动方式可分为手动绕网机和电动绕网机,按照机械结构可分为立式绕网机和卧式绕网机。

  • 中国社会科学院历史研究所王予予于1971年提出、设计并制作的绕网机[2]分为两个部分,即绕网编织部分和动力传输部分,其中的动力传输部分的材质为铁质,依靠单一齿轮传动,动能需要依靠人力进行手摇,通过摇臂控制旋转方向,以达到改变沙嘴纬纱方向的目的,绕网编织部分的材料为玻璃材质,仅依靠一个弹簧夹将其与动力传输部分进行连接(图1)。此绕网机的缺点是占地面积大、笨重,手动方式编织效率低,运行十分不稳定,单位距离内经、纬线密度方差波动较大。

  • 图1 王予予制作的第一代绕网机

  • Fig.1 First generation of the winding machine made by Wang Xu

  • 后来,绕网机经多次改良,在一定程度上提升了编织效率。如南京博物院奚三彩、张永庆于1989年制作的立式绕网机,其可很好地用于纸质文物的保护。此绕网机通过改变机械尺寸,加装电机的方式提升了生产效能,但增加了机械操作与维护等方面的难度,而精度相较之前者并未有提升[3]

  • 20世纪90年代末,首都博物馆王亚蓉、司志文等基于实际经验改变了上述绕网机中的绕网编织部分的夹取方式[4],即增加一个弹簧支点,相较之前者更为稳定,并且加装了YN型可逆电机、防尘罩,织物密度依靠调节传动皮带在U型齿轮上的位置进行控制(图2)。此绕网机提高了生产效能和运行的稳定性,但增加了自身重量,同时在机械转动过快、改变编织方向时会出现机身抖动、挑丝、皮带脱轨等问题。

  • 图2 王亚蓉、司志文等制作的绕网机

  • Fig.2 Winding machine improved by Wang Yarong, Si Zhiwen, et al.

  • 综上所述,已有绕网机均存在机械结构复杂,编织精度低,重量大,不便于移动携带的缺陷,极大制约了其使用场合,有待改善。

  • 2 研究目标

  • 本研究的目的在于提供一种用于纺织品保护的便携式绕网机,其具有操作简便、编织精度高、运行稳定、移动携带便捷等优点。

  • 为了实现上述目的,本研究采用了以下技术方案:在提高编织精度的基础上,简化了机械结构,缩小了机器体积,占地面积小,重量大大减轻(机身约重0.97kg),便于移动与携带,编织效率高,运行稳定可靠,解决了在机械转动过快、改变编织方向时出现的机身抖动、挑丝、皮带脱落等问题,且机械操作与维护简单,满足了复杂环境条件下纺织品文物的保护需求。

  • 3 机械模型的构建

  • 便携式绕网机的结构有如下3个部分,即传动构件、编织构件、动能构件,如图3。以上3组构建安装于底座之上。底座上设有两个支架,两个支架上分别可旋转地安装一锁紧夹,两个锁紧夹之间可拆卸地安装一个方形编织框,编织框在锁紧夹的带动下可旋转。两个支架之间可旋转地安装一转动螺纹轴,且两个支架之间还固定安装一固定轴,固定轴与转动螺纹轴互相平行,固定轴和转动螺纹轴位于编织框下方,一移动座沿固定轴或转动螺纹轴长度方向可移动地安装于固定轴和转动螺纹轴上。移动座上安装一个具有弹性的拨片,拨片伸出移动座,并在其端部设有一圆孔,圆孔上安装一瓷珠,瓷珠上设有一上下贯通的喂纱孔。锁紧夹、转动螺纹轴与同一传动构件连接,传动构件由马达驱动运转,马达与控制器连接而受控制器控制。

  • 图3 便携式绕网机的结构设计图

  • Fig.3 Structure design of the portable winding machine

  • 传动构件包括尼龙材质的传动轮、轨道齿轮、编织齿轮、涨紧轮和被动轮。其中,传动轮安装于马达的出力轴上。轨道齿轮、编织齿轮和涨紧轮安装于靠近马达的一支架上,编织齿轮的轮轴贯穿伸出此支架的部分安装一锁紧夹,此锁紧夹与编织齿轮同步旋转,轨道齿轮的轮轴贯穿伸出此支架的部分与转动螺纹轴一端连接,转动螺纹轴与轨道齿轮同步旋转。

  • 被动轮安装于另一支架上,被动轮的轮轴贯穿伸出此支架的部分安装另一锁紧夹,此锁紧夹与被动轮同步旋转,此锁紧夹和被动轮是在编织框旋转的带动下被动旋转,设计目的在于提升编织框的旋转稳定性,转动螺纹轴另一端可旋转的安装在此支架上。两个锁紧夹相对设置,传动轮、轨道齿轮和编织齿轮上套设一皮带,传动轮在马达的驱动下旋转,并借由皮带带动编织齿轮和轨道齿轮旋转,涨紧轮抵靠在皮带的外侧面上来起到张紧皮带的作用。

  • 在本研究中,涨紧轮、被动轮、轨道齿轮和编织齿轮均通过各自齿轮基座安装于相应支架上。例如,被动轮通过齿轮基座安装于支架上,编织齿轮通过齿轮基座安装于支架上。涨紧轮为已有部件,故其结构和工作原理不在这里详述。

  • 编织框是绕网机重要的编织构件,如图4。编织框的4个边框的中心位置均设有一锁定孔,锁紧夹上设有与锁定孔相适配的通孔,编织框通过在锁紧夹的通孔与锁定孔内安装弹簧定位珠来实现其与锁紧夹之间的锁固。弹簧定位珠的设计既避免了编织框在编织过程中发生晃动,提升了编织稳定性,又便于拆卸编织框调转方向,以实现经纬纱不同方向的编织。

  • 图4 编织框结构示意图

  • Fig.4 Structure of the weaving frame

  • 编织框具有一定的厚度,在编织的厚度方向上设计有切割槽,换句话说,编织框的各边框的外侧面设有一圈切割槽,切割槽用于在编织完织物后来切断纱线,具体来说,当经纱和纬纱缠绕完毕后,喷涂黏合剂(如2%~5%缩丁醛&酒精混合溶液),然后用刀沿切割槽12切割一圈,便可得到两张纱网,方便后续保护工艺使用。

  • 编织齿轮可拆卸地安装于支架上,并且配设有轮径大小不同的3个编织齿轮。当转动螺纹轴上的螺纹螺距固定不变的条件下,通过更换编织齿轮,借由控制编织齿轮与轨道齿轮之间的轮径比来控制锁紧夹(或说编织框)与转动螺纹轴之间的转速比,从而实现对编织框上编织出的织物密度和所用编织时间进行控制。

  • 织物密度(Q)受转动螺纹轴的螺纹螺距(S)、编织齿轮的轮径(A)、轨道齿轮的轮径(B)影响,它们之间的关系满足式(1):

  • Q=S×(A/B)
    (1)
  • 若转动螺纹轴的长度设为16cm且螺纹螺距设为3mm,则:令编织齿轮与轨道齿轮之间的轮径比为1∶15,则织物密度可实现2mm(纱线单位距离);令编织齿轮与轨道齿轮之间的轮径比为1∶20,则织物密度可实现1.5mm(纱线单位距离);令编织齿轮与轨道齿轮之间的轮径比设为1∶30,则织物密度可实现1mm(纱线单位距离)。

  • 换句话说,编织齿轮与轨道齿轮之间的轮径比值越小,织物密度越高。

  • 并且,因更换的编织齿轮轮径大小不同,皮带会发生或松或紧的情况,此时可通过涨紧轮来调整皮带松紧,避免发生皮带脱落问题。在实际实施时,编织框的编织转速最大可达到148r/min,可在27s内沿框边完成单个方向的纱线缠绕。

  • 传动构件主要由马达、控制盒构成。马达、控制器分别置于防护罩、控制盒内,且控制盒内设有电池,控制盒上设有一开关,开关与控制器连接,电池为控制器和马达提供电力。

  • 4 材料的制备与工艺

  • 绕网机所使用的材料按照其结构功能进行优化,如图5。编织框采用聚四氟乙烯材质,应用三维打印技术将1.75mm聚四氟乙烯线材打印成型,此材质耐酸、耐碱、耐高温,对于纱线本身的二次加工具有其他材料无可比拟的可靠性。在实际设计中,编织框的长度应略小于转动螺纹轴介于两个支架之间的长度,这样在启动编织前,移动座(初始位置)应位于转动螺纹轴的一端上,即与编织框一端相对,以便于在编织框上从一端到另一端地均匀编织织物。

  • 图5 绕网机的材质分布示意图

  • Fig.5 Material distribution of the winding machine

  • 在编织构件中,拨片采用不锈钢材质,厚度仅为0.06mm,一方面,其韧性较强;另一方面,在喂纱时,具有弹性的拨片可上下摆动,从而在纱线通过喂纱孔缠绕到编织框上的过程中,可防止纱线因受力不均而断裂,以及避免出现挑丝问题。同时,瓷珠上的喂纱孔优选采用激光切割技术实现,孔径可设计为0.2cm,瓷珠的设计防止了纱线在喂纱孔内发生摆动而造成编织出的织物密度不均匀。

  • 在传动构件中,传动轮、轨道齿轮、编织齿轮、涨紧轮和被动轮选用尼龙材质,此材质具有较强的耐磨性。

  • 底座、支架采用铝质材质,目的在于大大减轻整个机器的重量,而防护罩和控制盒采用不锈钢材质的目的在于增加底座重量来加强运行稳定性,在机械高速转动、改变编织方向时,可很好地防止机身发生抖动。

  • 5 操作与评价

  • 设备在编织时,通过弹簧定位珠将编织框安装在两个锁紧夹之间,即锁紧夹夹持住编织框上相对的两个框边;然后根据需要编织出的织物密度和编织时间,将轮径大小合适的编织齿轮安装在靠近马达的支架上,并套装好皮带;纱线向上穿过瓷珠的喂纱孔且穿出的一端粘在编织框的边缘上,按下开关,绕网机启动运行。于是,编织框与锁紧夹一起在编织齿轮的带动下旋转,转动螺纹轴在轨道齿轮的带动下旋转,继而移动座在转动螺纹轴的旋转作用下沿编织框的边框单方向地从转动螺纹轴一端移动到另一端,此时移动座的移动速度与编织框的旋转速度呈一定的比例关系,此比例关系取决于编织齿轮与轨道齿轮之间的轮径比。

  • 当移动座从边框一端移动到另一端时,马达的出力轴在控制器的控制下反向旋转,于是移动座又反方向沿编织框的边框单方向移动,移动座如此往复移动,直至达到编织时间时停止,或根据编织情况人工控制停止。在移动座移动的过程中,编织框一直在旋转,这里可将此过程编织的纱线称为纬纱。

  • 当纬纱编织完后,剪断纱线,借由弹簧定位珠将编织框拆下,将编织框调整度角后再次安装在两个锁紧夹之间,即此时锁紧夹夹持的是编织框的另外相对的两个框边,然后纱线向上穿过瓷珠的喂纱孔且穿出的一端粘在编织框的边缘上,然后按下开关,重新启动本发明便携式绕网机。于是,如上所述,编织框旋转,移动座往复移动,直至到达编织时间时停止,或根据编织情况人工控制停止。此过程编织的纱线称为经纱。

  • 当纬纱和经纱都在编织框上缠绕完毕后,将编织框卸下,向编织好的织物上喷涂黏合剂(2%~5%缩丁醛和酒精混合溶液),然后沿编织框上的切割槽12用刀切割一圈,于是便可得到两张编织良好的纱网。

  • 当需要改变织物密度时,可将原有的编织齿轮拆下进行更换,以满足不同编织密度需求。采用Dino-Lite AM4115ZT便携式显微镜,对不同编织密度的样本纱线之间的距离数据进行随机抽样。

  • 将绕网机放置于水平试验台上,不考虑外部环境因素。当编织齿轮与轨道齿轮之间的轮径比设为1∶30时,其织物相邻两根纱线之间距离的理论值为1mm,在现有机械加工精度的条件下,实际纱线间距平均值为1.042mm,总体标准偏差为0.041 4mm。

  • 当编织齿轮与轨道齿轮之间的轮径比设为1∶20时,其织物相邻两根纱线之间距离的理论值为1.5mm,实际纱线间距平均值为1.518mm,总体标准偏差为0.036 6mm。

  • 当编织齿轮与轨道齿轮之间的轮径比设为1∶15时,其织物相邻两根纱线之间距离的理论值为2mm,实际随机抽样搜集整理数据,如表1所示。纱线间距平均值为2.018mm,总体标准偏差为0.046 9mm。以上3种不同密度织物的间距,其纱线间距最大标准偏差不超过0.05mm,相较之原有设备生产的成品,其标准偏差值大大降低,现有偏差不影响其成品的物理效能,并且外观很难用肉眼分别。影响该偏差的因素来自于螺纹轴、移动座等金属配件的加工精度,其主要受限于加工该金属配件的机床精度,在不考虑生产成本的状况下,采用三维打印技术,可一定程度减少上述偏差概率。

  • 6 结论

  • 本研究在提高编织精度的基础上,简化了机械结构,缩小了机器体积,占地面积小,重量大大减轻(机身约重0.97kg),便于移动与携带,编织效率高,运行稳定可靠,解决了在机械转动过快、改变编织方向时出现的机身抖动、挑丝、皮带脱落等问题,且机械操作与维护简单,满足了复杂环境条件下纺织品文物的保护需求。

  • 说明:本文内容已经申请专利,授权公布号分别为CN215757884U和CN113430708B。

  • 参考文献

    • [1] 国家文物局博物馆与社会文物司.博物馆纺织品文物保护技术手册[M].北京:文物出版社,2009:96.Department of Museum and Social Cultural Relics of National Cultural Heritage Administration.Technical manual for the protection of textile cultural relics in museums[M].Beijing:Cultural Relics Press,2009:96.

    • [2] 王予予.王予予与纺织考古[M].香港:艺纱堂/服饰出版,2001:125-131.WANG Xu.Wang Xu and textile archaeology in China[M].Hong Kong:ISAT/Costume Squad Ltd.,2001:125-131.

    • [3] 奚三彩,张永庆.两面文字脆弱纸质文物保护的丝网热压加固法[J].文物保护与考古科学,1989,1(1):12-16.XI Sancai,ZHANG Yongqing.Silk screen hot pressing reinforcement method for the protection of paper cultural relics with fragile characters on both sides[J].Sciences of Conservation and Archaeology,1989,1(1):12-16.

    • [4] 首都博物馆.首都博物馆馆藏纺织品保护研究报告[M].北京:文物出版社,2009:137-139.Capital Museum.Research report on the protection of textiles in the collection of Capital Museum[M].Beijing:Cultural Relics Press,2009:137-139.

  • 参考文献

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    • [2] 王予予.王予予与纺织考古[M].香港:艺纱堂/服饰出版,2001:125-131.WANG Xu.Wang Xu and textile archaeology in China[M].Hong Kong:ISAT/Costume Squad Ltd.,2001:125-131.

    • [3] 奚三彩,张永庆.两面文字脆弱纸质文物保护的丝网热压加固法[J].文物保护与考古科学,1989,1(1):12-16.XI Sancai,ZHANG Yongqing.Silk screen hot pressing reinforcement method for the protection of paper cultural relics with fragile characters on both sides[J].Sciences of Conservation and Archaeology,1989,1(1):12-16.

    • [4] 首都博物馆.首都博物馆馆藏纺织品保护研究报告[M].北京:文物出版社,2009:137-139.Capital Museum.Research report on the protection of textiles in the collection of Capital Museum[M].Beijing:Cultural Relics Press,2009:137-139.

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