再談阿克萊特水力紡紗機(jī)的羅拉牽伸機(jī)構(gòu)

史 曉 雷

(中國科學(xué)院 自然科學(xué)史研究所，北京 100190)

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歷史與文化

再談阿克萊特水力紡紗機(jī)的羅拉牽伸機(jī)構(gòu)

史 曉 雷

(中國科學(xué)院 自然科學(xué)史研究所，北京 100190)

李強(qiáng)等人于2014年在《絲綢》發(fā)表了《對(duì)英國工業(yè)革命時(shí)期紡織機(jī)械發(fā)明傳統(tǒng)觀點(diǎn)的再解讀》，其中認(rèn)為阿克萊特水力紡紗機(jī)采用了三支羅拉的牽伸機(jī)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了其運(yùn)動(dòng)機(jī)制。針對(duì)其提到的“三支羅拉”牽伸機(jī)構(gòu)，根據(jù)阿克萊特本人對(duì)1769年專利的解釋，以及后來的技術(shù)史資料，研究認(rèn)為這種紡紗機(jī)采用了四對(duì)羅拉的牽伸機(jī)構(gòu)；該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由齒輪系驅(qū)動(dòng)，并非李強(qiáng)等人設(shè)計(jì)的那種含有錐齒輪的形式。

阿克萊特；水力紡紗機(jī)；羅拉牽伸；工業(yè)革命；技術(shù)史；紡織史

《絲綢》2014年第6期刊載了李強(qiáng)等的《對(duì)英國工業(yè)革命時(shí)期紡織機(jī)械發(fā)明傳統(tǒng)觀點(diǎn)的再解讀》[1](以下簡稱李文)，其中第三部分是“水力紡紗機(jī)再解讀”。由于李文對(duì)該部分的論述，即對(duì)英國阿克萊特(李文譯作“阿克賴特”)水力紡紗機(jī)的論述，沒有關(guān)注或參考到西方技術(shù)史研究的相關(guān)成果，對(duì)水力紡紗機(jī)的基本工作原理與機(jī)構(gòu)存在誤解。筆者不揣冒昧，予以糾正，敬請(qǐng)專家指正。

1 誤解之處

在對(duì)水力紡紗機(jī)的論述中，李文認(rèn)為許多學(xué)者表述不對(duì)，并引用了英國查爾斯·辛格(Charles Singer)等主編的《技術(shù)史》對(duì)水力紡紗機(jī)的描述：

“紡紗機(jī)件頂部有4只銅管(引者注：英文原文只是寫了“four bobbins”，應(yīng)該譯作“四支繞線軸/筒”)，水平橫向放置，上面繞著粗紗。從每只銅管拉出粗紗，通過兩對(duì)羅拉按照不同銅管被分成4部分。第二對(duì)羅拉運(yùn)動(dòng)得比第一對(duì)要快，這樣就可以把粗紗拉長，然后向下通過與位于機(jī)器底部錠子相連的錠翼臂，纏繞在靠錠子帶動(dòng)的筒管上。”[2]

李文對(duì)上文表示了質(zhì)疑：“筆者認(rèn)為這一解釋與圖例是不符合的，因?yàn)閳D6(引者注：即本文圖1)中明明只有三個(gè)羅拉(即圖6中C)，何來兩對(duì)羅拉？這明顯將現(xiàn)代紡織技術(shù)中一對(duì)上、下羅拉起著握紗線的作用移用于馬力紡紗機(jī)。另外，又將現(xiàn)代紡紗技術(shù)中兩個(gè)最基本的工作之一——牽伸作用移用于馬力紡紗機(jī)，即前后有兩對(duì)羅拉，前羅拉的速度大于后羅拉的速度，就會(huì)起到紗線的牽伸作用。筆者仔細(xì)觀察圖6認(rèn)為：馬力紡紗機(jī)根本不存在兩對(duì)羅拉，僅有三只羅拉，并且這三只羅拉呈水平放置，每根紗線一上一下一上或一下一上一下地繞過羅拉，然后向下通入與位于機(jī)器底部錠子相連的錠翼臂，纏繞在靠錠子帶動(dòng)的銅管上。這三根羅拉的轉(zhuǎn)動(dòng)速度不同，也會(huì)對(duì)紗線起到牽伸作用，只是紗線的產(chǎn)品質(zhì)量沒有現(xiàn)代的高。錠翼臂的轉(zhuǎn)動(dòng)則完成紡紗的另一個(gè)最基本的工作——加捻?！盵1]

李文認(rèn)為水力紡紗機(jī)就是畫面“顯示”的三根羅拉，而不是兩對(duì)羅拉。此結(jié)構(gòu)非常關(guān)鍵，因?yàn)槔钗膿?jù)此直接否定了水力紡紗機(jī)運(yùn)用了現(xiàn)代紡紗技術(shù)中的牽伸機(jī)構(gòu)，并依照自己的“三根羅拉”方案，構(gòu)想并設(shè)計(jì)了三根羅拉的運(yùn)動(dòng)機(jī)制。但是，李文認(rèn)為的纖維須條靠繞過三支水平放置的羅拉實(shí)現(xiàn)牽伸機(jī)制不可能實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槔w維須條在羅拉上繞行通過的接觸長度和包圍角明顯不足，會(huì)導(dǎo)致須條在摩擦牽伸中混亂與解體。事實(shí)上，阿克萊特水力紡紗機(jī)不但運(yùn)用了現(xiàn)代羅拉牽伸機(jī)構(gòu)(起握持作用的羅拉對(duì))，而且其運(yùn)行機(jī)制正是靠齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

當(dāng)然，由于誤解了羅拉的根數(shù)，李文對(duì)整個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)制的分析自然是錯(cuò)誤的。本文分別從該水力紡紗機(jī)究竟采用了幾對(duì)牽伸羅拉、誤解的原因及羅拉運(yùn)動(dòng)機(jī)制三部分展開分析。

在展開討論之前，需要把“水力紡紗機(jī)”的名字理順下。李文認(rèn)為，阿克萊特的“水力紡紗機(jī)”應(yīng)該叫“馬力紡紗機(jī)”，因?yàn)槠渥畛鮿?dòng)力是馬力。事實(shí)的確如此，下文會(huì)給出阿克萊特親口對(duì)該紡紗機(jī)的解釋就說是以“馬力”為動(dòng)力的。同時(shí)，李文也稱這僅是紡紗機(jī)的動(dòng)力不同而已，對(duì)紡紗機(jī)的主體結(jié)構(gòu)沒有影響。《技術(shù)史》中也認(rèn)為，在阿克萊特的專利說明書中，機(jī)器是被設(shè)計(jì)成用一匹馬來拉動(dòng)的，不過在最初通常采用的原動(dòng)力是水(力)，因此就取名為水力紡紗機(jī)。這也是后來通常的叫法，本文沿用此稱謂。

2 究竟有幾對(duì)羅拉

阿克萊特的水力紡紗機(jī)有幾對(duì)羅拉？這應(yīng)該從其專利的原始資料中去找答案。菲頓(R.S. Fitton)在《阿克萊特家族：幸運(yùn)的紡織工》中給出了1769年阿克萊特申請(qǐng)水力紡紗機(jī)專利的原話：

“A-齒輪和軸，它們要接受來自一匹馬的動(dòng)力。B-轉(zhuǎn)輪，它驅(qū)動(dòng)皮帶C進(jìn)而驅(qū)動(dòng)整部機(jī)器；D-鉛塊，它用于保持小筒輪F依附于增壓輪E上(譯者注：E輪的作用是給皮帶C以張力，使皮帶在右側(cè)可以與翼錠下方的軸緊密接觸，以增加摩擦力；同時(shí)E與F相接觸，從而使F轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)G)；G-木軸，可以驅(qū)動(dòng)H輪進(jìn)而驅(qū)動(dòng)I。I-其由四對(duì)羅拉組成(其形式畫在了空白處)，羅拉的運(yùn)動(dòng)是靠黃銅及鋼制的齒輪實(shí)現(xiàn)。齒輪安裝在鐵盤K內(nèi)。羅拉上棉紗通過的部分用木料包裹，上羅拉再附以皮革，下羅拉刻有凹槽，這樣棉紗便可通過。(前面的)羅拉要比(后面的)羅拉轉(zhuǎn)動(dòng)快些，變細(xì)的棉紗然后由T-紗錠捻繞。K-如上所述，是兩塊鐵盤。L-是四個(gè)大的粗紗筒管，在羅拉的后面運(yùn)轉(zhuǎn)。M-從粗紗筒管到紗錠的四根紗線，中間穿過固定在木架V上的四個(gè)小繩環(huán)。N-附有鉛塊的鐵杠桿，依靠滑輪組懸掛于羅拉上，可使羅拉接觸更緊密。O-橫跨木架，鐵杠桿固定其上。P-筒管和翼錠。Q-木質(zhì)錠翼，其邊上有引線可使棉紗卷繞到筒管上。R-窄毛線帶，通過調(diào)整其松緊程度改變銅管的旋轉(zhuǎn)速度。S-四個(gè)錠盤。T-在鐵框上轉(zhuǎn)動(dòng)的紗錠。W-整臺(tái)機(jī)器的木質(zhì)框架?！盵3]

圖1 阿克萊特的水力紡紗機(jī)(1769年)Fig.1 The water frame of Arkwright(1769)

從阿克萊特的描述看，的確用到了羅拉牽伸機(jī)構(gòu)，但與辛格記載的并不完全相同。辛格記載的是兩對(duì)羅拉，而阿克萊特本人說是四對(duì)。但是從圖1羅拉下方兩側(cè)附有鉛塊的鐵杠桿看，左右兩側(cè)各有四根，分別與四組滑輪組相連，從而佐證了牽伸機(jī)構(gòu)是四對(duì)羅拉。阿克萊特說了空白處繪的是羅拉的形式，應(yīng)該就是上面說的一種附以皮革(細(xì)節(jié)上又分兩種)，一種帶凹槽的；不能認(rèn)為空白處畫的三支羅拉表明機(jī)械結(jié)構(gòu)中僅有三支。

除此之外，還可以找出四份技術(shù)史資料作佐證。1900年出版的《19世紀(jì)的發(fā)明進(jìn)程》中，對(duì)阿克萊特的水力紡紗機(jī)寫道：

“在紡紗方面下一個(gè)重要的進(jìn)展便是羅拉牽伸機(jī)構(gòu)的引入，它是一組以不同速度旋轉(zhuǎn)的羅拉牽伸粗紗，進(jìn)而紡成紗線。這主要?dú)w功于阿克萊特，他與哈格里夫斯(James Hargreaves)是同時(shí)代的人。盡管路易斯·保羅(Louis Paul)在英國分別于1738年申請(qǐng)的562號(hào)及1758年申請(qǐng)的742號(hào)專利中已經(jīng)出現(xiàn)了牽伸羅拉機(jī)制的雛形，但是阿克萊特首先把它用于實(shí)用機(jī)器，這體現(xiàn)在他于1769年申請(qǐng)的第931號(hào)專利和1775年申請(qǐng)的第1111號(hào)專利。阿克萊特的紡紗機(jī)如圖，牽伸羅拉機(jī)構(gòu)就在圖的上部。”[4]

1920年瓊斯(Alfred Seymour Jones)在《棉紡中羅拉牽伸的發(fā)明》同樣引用了阿克萊特對(duì)其1769年專利的解釋，認(rèn)為其有四對(duì)羅拉[5]。1952年亞·沃爾夫(Abraham Wolf)在《十八世紀(jì)科學(xué)、技術(shù)和哲學(xué)史》中，談到阿克萊特的水力紡紗機(jī)時(shí)，也說有四對(duì)羅拉(中譯本譯作“輥”)；而且書中對(duì)該機(jī)器插圖的解說與前文阿克萊特自己的說明基本一致，只是更為簡潔一些[6]。1970年理查德L. 希爾斯(Richard L. Hills)發(fā)表了《阿克萊特和他1769年獲得的專利》。在談到1769年的專利時(shí)，他明確說道：“毫無疑問，在阿克萊特的堅(jiān)持下，他于1769年7月1日獲得了專利。他用四對(duì)羅拉恰當(dāng)?shù)匕l(fā)展了紡紗機(jī)，每一對(duì)羅拉都比后一對(duì)快適宜的速度，并且之間保持適當(dāng)距離用于紡紗，還用了(杠桿)配重以控制”[7]。

可見無論是阿克萊特本人，還是后來的技術(shù)史料，均說明這種水力紡紗機(jī)采用了四對(duì)羅拉牽伸機(jī)構(gòu)。至于其細(xì)節(jié)如何，不妨參考瓊斯繪的四對(duì)羅拉牽伸的機(jī)構(gòu)示意圖(圖2)。盡管該示意圖針對(duì)的是阿克萊特1775年的專利，但四對(duì)羅拉裝置仍延續(xù)了1769年專利的形式。粗紗從線筒L出來，經(jīng)過四對(duì)羅拉牽伸，繞到翼錠上，同時(shí)完成卷繞和加捻工序。這種羅拉牽伸就是現(xiàn)代的多對(duì)羅拉牽伸，由于有三個(gè)牽伸區(qū)，總的牽伸倍數(shù)等于三個(gè)牽伸倍數(shù)的總乘積。從圖2還能看到，利用杠桿、滑輪機(jī)構(gòu)的加壓措施，保證了羅拉之間的握持力。

圖2 四對(duì)羅拉牽伸結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of four pairs of roller drawing mechanism

3 “兩對(duì)羅拉”說產(chǎn)生的原因

那么辛格《技術(shù)史》中，在明確引用阿克萊特1769年專利圖的基礎(chǔ)上，為何還聲稱其上有“兩對(duì)羅拉”？誤解的原因可能是他把之前出現(xiàn)的水力紡紗機(jī)與阿克萊特發(fā)明的水力紡紗機(jī)混淆了。在1769年之前，托馬斯·海斯(Thomas Highs)和約翰·凱伊(John Key，注意這位凱伊與工業(yè)革命時(shí)期發(fā)明飛梭的凱伊同名，但是另一人)已經(jīng)發(fā)明了一種水力紡紗機(jī)(圖3)，并且已經(jīng)用到羅拉牽伸機(jī)構(gòu)，只是用了兩

圖3 海斯和凱伊合作發(fā)明的水力紡紗機(jī)示意Fig.3 Water frame by Highs and Kay

對(duì)羅拉。顯然，這臺(tái)水力紡紗機(jī)與阿克萊特1769年申請(qǐng)的專利有許多相似，只是前者時(shí)間更早。關(guān)于海斯與阿克萊特的關(guān)系，后者的確使用了前者已經(jīng)發(fā)明的機(jī)構(gòu)，但并非李文所言海斯是阿克萊特理發(fā)店的顧客，并給阿克萊特做了水力紡紗機(jī)的模型等。關(guān)于這方面的權(quán)威史料，可以參考理查德·格斯特(Richard Guest)的一本小冊子《棉紡生產(chǎn)簡史：對(duì)聲稱阿克萊特發(fā)明了精巧機(jī)器的反駁》，其中專門講述了水力紡紗機(jī)發(fā)展的許多細(xì)節(jié)，并附有后來因?qū)＠a(chǎn)生官司后法庭對(duì)海斯的調(diào)查記錄等[8]。總之，在18世紀(jì)下半葉，的確出現(xiàn)了兩對(duì)羅拉的水力紡紗機(jī)，但不是阿克萊特1769年申請(qǐng)的那種，因?yàn)楹笳哂兴膶?duì)牽伸羅拉。此外，格斯特還繪有1775年阿克萊特改良后的水力紡紗機(jī)的機(jī)器圖，此機(jī)器也是四對(duì)羅拉組成的牽伸機(jī)構(gòu)，不同的是在前兩對(duì)羅拉牽伸的同時(shí)，伴有并紗工序。

4 羅拉牽伸的機(jī)械動(dòng)力機(jī)構(gòu)

前文已經(jīng)談及，由于李文誤認(rèn)為僅有三根羅拉，所以對(duì)羅拉動(dòng)力機(jī)構(gòu)的設(shè)想和分析是錯(cuò)誤的。

前文阿克萊特說，羅拉運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是靠鐵盤K內(nèi)由黃銅及鋼制的齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，但并未給出詳細(xì)說明。其實(shí)較早時(shí)期海斯發(fā)明的兩對(duì)羅拉的水力紡紗機(jī)也是靠齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，但也沒有詳細(xì)說明。在格斯特的小冊子中，盡管繪有阿克萊特1769年及1775年的紡紗機(jī)圖，但其中齒輪機(jī)構(gòu)是如何控制四對(duì)羅拉的，并未顯示清楚，盡管運(yùn)用齒輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)四對(duì)羅拉的機(jī)械運(yùn)動(dòng)并不困難。

目前在英國倫敦科學(xué)博物館陳設(shè)有阿克萊特1775年申請(qǐng)水力紡紗機(jī)專利的仿制品，除了翼錠的數(shù)目成了8個(gè)——比1769年的多了一倍外，仿制品的牽伸羅拉也成了現(xiàn)代常見的三對(duì)。按照艾倫(Robert Allen)[9]的說法，第二對(duì)羅拉的轉(zhuǎn)速是第一對(duì)羅拉(從粗紗線筒出來的紗線首先進(jìn)入的一對(duì))的2倍，第三對(duì)又是第二對(duì)的2倍，也即它們的轉(zhuǎn)速為1︰2︰4。由于無法獲得該仿制品齒輪機(jī)構(gòu)的細(xì)節(jié)，本文選用著名的收集英國工業(yè)歷史信息的網(wǎng)站Grace’s Guide to British Industrial History另一件復(fù)制品(圖4)，它比較清晰地顯示了齒輪機(jī)構(gòu)是如何驅(qū)動(dòng)牽伸羅拉裝置的[10]。

仿制品中每對(duì)羅拉的轉(zhuǎn)動(dòng)均是下羅拉轉(zhuǎn)動(dòng)，上羅拉固定不動(dòng)，只是在配重的壓力下起到一定握持力的作用，這與阿克萊特1769年專利的設(shè)計(jì)是一致的。只是羅拉數(shù)量采用了現(xiàn)在常用的三對(duì)形式。其中第一對(duì)羅拉為被動(dòng)拖拽傳動(dòng)，其速度取決于其加壓力(摩擦阻力)的大小。這樣，三對(duì)羅拉的轉(zhuǎn)動(dòng)問題就轉(zhuǎn)化為了后兩對(duì)羅拉的主動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4中一共有6個(gè)齒輪，分別標(biāo)識(shí)為A、B、C、D、E、F，其中水平齒輪A把原動(dòng)力(馬力或水力)傳遞給整臺(tái)機(jī)器。豎立的大齒輪B與A嚙合后帶動(dòng)第三對(duì)羅拉的下羅拉轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)另一側(cè)的小立齒輪C實(shí)現(xiàn)把運(yùn)動(dòng)傳遞給第二對(duì)羅拉。由于第二對(duì)羅拉需要比第三對(duì)羅拉轉(zhuǎn)速慢，F(xiàn)齒輪的直徑必須大，如果軸端兩齒輪直接嚙合(即C、F嚙合)，那么兩羅拉的間距就會(huì)變大，整部機(jī)器的尺寸便隨之變大。為了避免這種情況，就需要利用D、E齒輪周轉(zhuǎn)下，實(shí)際上相當(dāng)于把嚙合位置調(diào)整為E、F，同時(shí)滿足了降速比。這里其實(shí)D、E整體相當(dāng)于一個(gè)惰齒輪，使從動(dòng)輪F轉(zhuǎn)動(dòng)方向與C一致。由于C、E的齒數(shù)相同，C、F的傳動(dòng)比等于E、F的傳動(dòng)比，即若滿足C是F轉(zhuǎn)速2倍的話，只需F的齒數(shù)是C的2倍即可。如果羅拉對(duì)數(shù)再多的話，無非齒輪系再復(fù)雜一些，甚至齒輪AB一側(cè)也可以增設(shè)齒輪系，以驅(qū)動(dòng)另外的羅拉?？傊⒖巳R特水力紡紗機(jī)的牽伸羅拉是由這種齒輪系實(shí)現(xiàn)的。

圖4 羅拉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of roller driving mechanism

5 結(jié) 語

在海斯、凱伊等人的基礎(chǔ)上，無論是阿克萊特1769年還是1775年獲得專利的水力紡紗機(jī)，均采用了四對(duì)羅拉的牽伸裝置，而不是李強(qiáng)等人之前認(rèn)為的三支羅拉。羅拉運(yùn)動(dòng)機(jī)制是由齒輪系實(shí)現(xiàn)，但不是李文設(shè)計(jì)的形式。

志謝:加州大學(xué)伯克利分校Newspapers & Microforms圖書館為本文提供圖3的縮微膠片，在此表示感謝。

[1]李強(qiáng),李斌,李建強(qiáng).對(duì)英國工業(yè)革命時(shí)期紡織機(jī)械發(fā)明傳統(tǒng)觀點(diǎn)的再解讀[J].絲綢,2014,51(6):71-72. LI Qiang, LI Bin, LI Jianqiang. A new study on traditional view on textile machinery invention during the period of British Industrial Revolution[J]. Journal of Silk,2014,51(6):71-72.

[2]查爾斯·辛格.技術(shù)史:第4卷 工業(yè)革命[M].上海:世紀(jì)出版集團(tuán),2004:191-192. SINGER C. A History of Technology: V4[M]. Shanghai: Shanghai Century Publishing Co,2004:191-192.

[3]FITTON R S. The Arkwrights: Spinners of Fortune[M]. Manchester: Manchester University Press,1989:24.

[4]BYRN E W. The Progress of Invention in the Nineteen Century[M]. New York: Munn & Co,1900:421-422.

[5]JONES A S. The invention of roller drawing in cotton spinning[J]. Transactions of the Newcomen Society,1920(1):58.

[6]亞·沃爾夫.十八世紀(jì)科學(xué)、技術(shù)和哲學(xué)史：下冊[M].北京:商務(wù)印書館,1991:594-595. WOLF A. A History of Science, Technology and Philosophy in the Eighteen Century: V2[M]. Beijing: The Commercial Press,1991:594-595.

[7]HILLS R. Sir Richard Arkwright and his patent granted in 1769[J]. Notes & Records of the Royal Society of London,1970(2):257.

[8]GUEST R. A Compendious History of the Cotton-manufacture: With a Disproval of the Claim of Sir Richard Arkwright to the Invention of Its Ingenious Machinery[M]. Manchester: J Pratt,1823.

[9]艾倫.近代英國工業(yè)革命揭秘:放眼全球的深度透視[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,2012:301. ALLEN R. The British Industrial Revolution in Global Perspective[M]. Hangzhou: Zhejiang University Press,2012:301.

[10]Richard Arkwright[EB/OL]. [2016-03-06]. http://www.gracesguide.co.uk/Richard_Arkwright.

Further discussion on the roller drawing mechanism in the water frame of Richard Arkwright

SHI Xiaolei

(Institute for the History of Natural Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

Li Qiang, Li Bin and Li Jiqiang published the paper named “A New Study on Traditional View on Textile Machinery Invention during the Period of British Industrial Revolution” in theJournalofSilkin 2014. They believed that the water frame of Richard Arkwright had 3 roller drawing mechanisms and designed their motion mechanism. For the 3 roller drawing mechanisms, based on the explanation of Arkwright in 1769 and the research on history of technology, the paper holds that the spinning machine adopted 4 pairs of roller drawing mechanisms, and the motion mechanism was driven by the gear train, instead of the form including bevel gear which was designed by Li Qiang et al.

Richard Arkwright; water frame; roller drawing; the Industrial Revolution; history of technology; history of textile

10.3969/j.issn.1001-7003.2016.11.014

2016-03-10;

2016-10-12

TS941.5；K875.1

B

1001-7003(2016)11-0080-05 引用頁碼: 111303