从水力到动力：水排鼓风在冶铁中的应用

水排是中国古代汉族劳动人民的一项伟大发明，是机械工程史上的一大发明，早于欧洲一千多年。建武七年（公元31年），汉朝人杜诗创造了利用水力鼓风铸铁的机械水排，如图1.17 所示。

图1.17　水排冶铁示意图

杜诗是河南汲县人，在建武七年（公元31年）担任南阳太守时，创造了水排（水力鼓风机）。他还主持修治陂池，广开田池，使郡内富庶起来。杜诗因此受到百姓的爱戴，南阳人称赞说：“前有召父（召信臣），后有杜母。”《水经注》记载： “白超垒侧旧有坞，故冶官所在，魏、晋之日，引谷水为冶以经国用，遗迹尚存。”

水排的历史记载最早见于《 后汉书·杜诗传》“……建武七年（31），迁南阳太守……造作水排，铸为农器，用力少，而见功多，百姓便之。……冶铁者为排吹炭，今激水鼓之也。”这说明东汉建武七年河南南阳地区，首先使用了这种先进技术。南阳自战国时，就是著名的冶铁基地。汉武帝曾在此设铁官，据考证，南阳郡内有汉代冶铁和铸造作坊5 至7 处，从事冶铁者世代相传，在鼓风冶铸方面积累了丰富经验。在水排之前，早已使用水碓舂米，杜诗正是总结了这些经验发明了水排。水排是利用水力进行鼓风的冶铁设备。王祯《农书》记载的水排构造是，在一立轴上，做上下二卧轮，用水激转下轮，则上轮用绳套带动另一个小轮，在小轮上装一个曲柄，再由一个连杆和另一个曲柄传到一个卧轴，经攀耳以及排前直木，则排（木排）随来去，将风鼓进炼炉，如图1.18 所示。

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图1.18　水排

选择湍急的河流的岸边，架起木架，在木架上直立一个转轴，上下两端各安装一个大型卧轮，在下卧轮（水轮）的轮轴四周装有叶板，承受水流，是把水力转变为机械转动的装置；在上卧轮的前面装一鼓形的小轮（“旋鼓”），与上卧轮用“弦索”相连（相当于传送皮带）；在鼓形小轮的顶端安装一个曲柄，曲柄上再安装一个可以摆动的连杆，连杆的另一端与卧轴上的一个“攀耳”相连，卧轴上的另一个攀耳和盘扇间安装一根“直木”（相当于往复杆）。这样，当水流冲击下卧轮时，就带动上卧轮旋转。由于上卧轮和鼓形小轮之间有弦索相连，因此上卧轮旋转一周，可使鼓形小轮旋转几周，鼓形小轮的旋转又带动顶端的曲柄旋转，这就使得和它相连的连杆运动，连杆又通过攀耳和卧轴带动直木往复运动，使排扇一启一闭，进行鼓风。汉代水排较简单，排橐是当时的冶铸鼓风器，外部用皮革制成，内部用木环做骨架，体上用吊杆挂起，以便推压鼓风。其构造是在一横轴的顶端做一竖轮，然后在横轴中间置一拨子，水激竖轮转动横轴，使木拨子推动连杆和一个曲柄及橐前的从动杆使皮橐推压鼓风。中国历史博物馆根据《后汉书·杨璇传》和山东滕州出土的东汉画像石刻复原了东汉的冶铁水排（排橐），并在中国通史陈列中展出，如图1.19 所示。

图1.19　水排模型

这种水排是一个完全自动化的装置，它通过水流来提供动能，然后通过同轴的两个转轮转化为对皮囊的推力，使皮囊对冶铁炉鼓风。这个装置解放了人力，大大提高了冶炼的效率，是劳动人民智慧的结晶。