水力風箱

水力風箱，又稱水排。關於“水排”，《辭海》說：“排（bèi）通鞴，鼓風吹火之具。《後漢書·杜詩傳》：‘造作水排，鑄為農器’。”從這裡，我們顯然不能將“水排”與“風箱”視為二物。“排”就是風箱。漢代有“水排”、“馬排”、“牛排”之稱。這是就“排”所使用的動力的不同而給以的不同的稱呼。馬拉的風箱叫馬排、牛推的風箱叫牛排，“水排”當然就是水力鼓風機了，即是水力風箱。“鼓風”是“水排”的基本功能，且讀音也不是“pái”，而是“bèi”。所以，應該說“水排”是“排”式水力鼓風設備，才恰如其分。

水力風箱是中國古代一種冶鐵用的水利鼓風裝置。人類早期的鼓風器大都是皮囊。一座爐子用好幾個囊，放在一起，排成一排，就叫“排囊”用水力推動這些排囊，就叫“水排”。水排（水力風箱）發明於東漢早期，是南陽太守杜詩（？－38）在總結勞動人民實踐經驗基礎上發明的。因為它“用力少，見功多”所以大家樂於使用。三國時期的韓暨把它推廣到了魏國官營冶鍊作坊中，用水排代替過去的馬排、人排，四季不歇。水排不但節省了人力、畜力，而且鼓風能力比較強，因此促進了冶鐵業的發展。水排在我國沿用了很長一個時期，直到本世紀七十年代，一些地方還在使用。

漢代的水排由同一時期的水碓和翻車結構推測，也是一種輪軸拉杆傳動裝置、我國古代水排構造的詳細技術最早見於元代的《王禎農書》，依水輪放置方式的差別，分為立輪式和卧輪式兩種(見圖1、圖2）。都是通過輪軸、拉杆及繩索把圓周運動變成直線往複運動的，以此達到起閉風扇和鼓風的目的。因為水輪轉動一次，風扇可以起閉多次，所以鼓風效能大大提高。

駕馭水力來驅動鼓風爐風箱開始於公元31年, 而歐洲人直到12世紀才開始用水力驅動鍛錘, 但是直到13世紀才開始使用水力鼓風，對l4世紀歐洲生鐵的出現起到了促進作用，但比起中國卻晚了1200年。

東漢時，杜詩創製了水力鼓風機具——水力風箱，這是我國和世界上最早在冶鐵中利用水力鼓風技術的標誌。

為了提高爐溫，縮短冶鍊時間，中國古代勞動人民很早就採用了向冶鍊爐鼓風的技術。最早的鼓風工具叫“橐”，即用皮革製成的皮囊。用橐鼓風，就是通過拉壓的反覆動作，使其一張一合，把風鼓入爐中。戰國時，發展成多橐排在一起向爐里鼓風，稱為“排橐”，或簡稱為“排”。利用排橐鼓風，能增大進風量，加強燃燒火力，比單橐鼓風進步得多，但它需要大量人力。用人力鼓風，稱為“人排”。接著又出現了用畜力作為鼓風動力的“馬排”，所需的畜力也很可觀。人力畜力的大量耗費，對進一步發展冶鐵業是一個嚴重障礙。

西漢中期以後，鐵業官營，相繼出現了一批規模較大的冶鍊爐，它們需要提供相當大的風量和風壓，這就要求人們改進已有的鼓風裝置。東漢時，南陽（今河南南陽）太守杜詩（？-38年），在前人經驗的基礎上，設計並製造了以水力為動力的一套冶鐵鼓風機具——水排。《後漢書·杜詩傳》記載說：杜詩“造作水排，……用力少，見功多，百姓便之。”

元代農學家王禎，對杜詩創製的水排結構作過研究，並在其著作《農書》中繪製了水排結構示意圖。據此，我們可知水排的基本構造和工作原理：在激流中置一木輪，讓水衝擊木輪轉動，然後通過輪軸、拉杆等機械傳動裝置，把圓周運動改變為直線往複運動，從而使皮製鼓風囊連續開合，達到鼓風目的。水力鼓風的發明，是冶鐵技術的一次大革命。它節省了人力畜力，加大了風量，提高了風壓，增強了風力在爐里的穿透能力。這樣一方面可以提高冶鍊強度，另一方面可以擴大爐缸，加高爐身，增大有效容積，從而有力地推動了我國古代冶鐵業的發展。

水排發明后，不久便得到推廣。宋代，水排的皮風囊為活門式木門扇所代替；明代，木風扇又為活塞式木風箱所代替，在結構上一個比一個進步。我國的水力鼓風這一重大科技發明，比歐洲人要早得多。在歐洲，公元11至12世紀才開始使用水力鼓風設備的鼓風爐。

1、下輪

2、立軸

3、上輪

4、弦索

5、旋鼓(小輪)

6、掉枝(曲柄)

7、行桄(連桿)

8、鼓木(卧軸)

9、攀耳(曲柄左右各一)

水力風箱，本用於冶鑄鼓風之用。按元王禎《農書》記載：“其制，當選湍流之側，架木立軸，作二卧輪，用水激轉下輪，則上輪所周舷索通繳輪前旋鼓，掉枝一例隨轉。其掉枝所貫行桄因而推挽卧軸左右攀耳，以及排前直木，則排隨來去，掮冶甚速，過於人力。”

水激下輪，通過立軸，上輪隨轉，上輪繩索（弦索）帶動小鼓輪（旋鼓），小鼓輪旋轉時帶動曲柄（掉枝）、連桿（行桄）、進而推動卧軸（鼓木）左右之曲柄（攀耳），從而帶動第二連桿（其一端接攀耳，另一端接箱），供箱內面羅來回運動，小鼓輪旋轉一周，卧軸來往一次，面羅也就被推動來往一次。這是利用曲柄連桿將旋轉運動改為直線往複運動之例（人力礱磨則相反，它是利用曲柄連桿將直線運動改為旋轉運動之例）。