水力风箱
2013年09月22日

    水力风箱是中国古代一种冶铁用的水利鼓风装置。人类早期的鼓风器大都是皮囊。一座炉子用好几个囊，放在一起，排成一排，就叫“排囊”，用水力推动这些排囊，就叫“水排”。水排（水力风箱）发明于东汉早期，是南阳太守杜诗（？－38）在总结劳动人民实践经验基础上发明的。因为它“用力少，见功多”所以大家乐于使用。三国时期的韩暨把它推广到了魏国官营冶炼作坊中，用水排代替过去的马排、人排，四季不歇。水排不但节省了人力、畜力，而且鼓风能力比较强，因此促进了冶铁业的发展。水排在我国沿用了很长一个时期，直到本世纪七十年代，一些地方还在使用。

    汉代的水排由同一时期的水碓和翻车结构推测，也是一种轮轴拉杆传动装置、我国古代水排构造的详细技术最早见于元代的《王祯农书》，依水轮放置方式的差别，分为立轮式和卧轮式两种(见图1、图2）。都是通过轮轴、拉杆及绳索把圆周运动变成直线往复运动的，以此达到起闭风扇和鼓风的目的。因为水轮转动一次，风扇可以起闭多次，所以鼓风效能大大提高。驾驭水力来驱动鼓风炉风箱开始于公元31年, 而欧洲人直到12世纪才开始用水力驱动锻锤, 但是直到13世纪才开始使用水力鼓风,对l4世纪欧洲生铁的出现起到了促进作用，但比起中国却晚了1200年。

    1、起源

    为了提高炉温，缩短冶炼时间，中国古代劳动人民很早就采用了向冶炼炉鼓风的技术。最早的鼓风工具叫“橐”，即用皮革制成的皮囊。用橐鼓风，就是通过拉压的反复动作，使其一张一合，把风鼓入炉中。战国时，发展成多橐排在一起向炉里鼓风，称为“排橐”，或简称为“排”。利用排橐鼓风，能增大进风量，加强燃烧火力，比单橐鼓风进步得多，但它需要大量人力。用人力鼓风，称为“人排”。接着又出现了用畜力作为鼓风动力的“马排”，所需的畜力也很可观。人力畜力的大量耗费，对进一步发展冶铁业是一个严重障碍。

    西汉中期以后，铁业官营，相继出现了一批规模较大的冶炼炉，它们需要提供相当大的风量和风压，这就要求人们改进已有的鼓风装置。东汉时，南阳（今河南南阳）太守杜诗（？-38年），在前人经验的基础上，设计并制造了以水力为动力的一套冶铁鼓风机具——水排。《后汉书·杜诗传》记载说：杜诗“造作水排，……用力少，见功多，百姓便之。”

    2、发展

    元代农学家王祯，对杜诗创制的水排结构作过研究，并在其著作《农书》中绘制了水排结构示意图(见图3）。据此，我们可知水排的基本构造和工作原理：在激流中置一木轮，让水冲击木轮转动，然后通过轮轴、拉杆等机械传动装置，把圆周运动改变为直线往复运动，从而使皮制鼓风囊连续开合，达到鼓风目的。水力鼓风的发明，是冶铁技术的一次大革命。它节省了人力畜力，加大了风量，提高了风压，增强了风力在炉里的穿透能力。这样一方面可以提高冶炼强度，另一方面可以扩大炉缸，加高炉身，增大有效容积，从而有力地推动了我国古代冶铁业的发展。

    水排发明后，不久便得到推广。宋代，水排的皮风囊为活门式木门扇所代替；明代，木风扇又为活塞式木风箱所代替，在结构上一个比一个进步。我国的水力鼓风这一重大科技发明，比欧洲人要早得多。在欧洲，公元11至12世纪才开始使用水力鼓风设备的鼓风炉。

    3、水力风箱 - 机械构造

    水力风箱，本用于冶铸鼓风之用。按元王祯《农书》记载：“其制，当选湍流之侧，架木立轴，作二卧轮，用水激转下轮，则上轮所周舷索通缴轮前旋鼓，掉枝一例随转。其掉枝所贯行桄因而推挽卧轴左右攀耳，以及排前直木，则排随来去，掮冶甚速，过于人力。”

     其程序如图所示：水激下轮，通过立轴，上轮随转，上轮绳索（弦索）带动小鼓轮（旋鼓），小鼓轮旋转时带动曲柄（掉枝）、连杆（行桄）、进而推动卧轴（鼓木）左右之曲柄（攀耳），从而带动第二连杆（其一端接攀耳，另一端接箱），供箱内面罗来回运动，小鼓轮旋转一周，卧轴来往一次，面罗也就被推动来往一次。这是利用曲柄连杆将旋转运动改为直线往复运动之例（人力砻磨则相反，它是利用曲柄连杆将直线运动改为旋转运动之例）。（来源：百度）