史 曉 雷

(中國科學院 自然科學史研究所，北京 100190)

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歷史與文化

再談阿克萊特水力紡紗機的羅拉牽伸機構

史 曉 雷

(中國科學院 自然科學史研究所，北京 100190)

李強等人于2014年在《絲綢》發(fā)表了《對英國工業(yè)革命時期紡織機械發(fā)明傳統(tǒng)觀點的再解讀》，其中認為阿克萊特水力紡紗機采用了三支羅拉的牽伸機構，并設計了其運動機制。針對其提到的“三支羅拉”牽伸機構，根據(jù)阿克萊特本人對1769年專利的解釋，以及后來的技術史資料，研究認為這種紡紗機采用了四對羅拉的牽伸機構；該運動機構由齒輪系驅動，并非李強等人設計的那種含有錐齒輪的形式。

阿克萊特；水力紡紗機；羅拉牽伸；工業(yè)革命；技術史；紡織史

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

1 誤解之處

在對水力紡紗機的論述中，李文認為許多學者表述不對，并引用了英國查爾斯·辛格(Charles Singer)等主編的《技術史》對水力紡紗機的描述：

“紡紗機件頂部有4只銅管(引者注：英文原文只是寫了“four bobbins”，應該譯作“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，通過兩對羅拉按照不同銅管被分成4部分。第二對羅拉運動得比第一對要快，這樣就可以把粗紗拉長，然后向下通過與位于機器底部錠子相連的錠翼臂，纏繞在靠錠子帶動的筒管上。”[2]

李文對上文表示了質疑：“筆者認為這一解釋與圖例是不符合的，因為圖6(引者注：即本文圖1)中明明只有三個羅拉(即圖6中C)，何來兩對羅拉？這明顯將現(xiàn)代紡織技術中一對上、下羅拉起著握紗線的作用移用于馬力紡紗機。另外，又將現(xiàn)代紡紗技術中兩個最基本的工作之一——牽伸作用移用于馬力紡紗機，即前后有兩對羅拉，前羅拉的速度大于后羅拉的速度，就會起到紗線的牽伸作用。筆者仔細觀察圖6認為：馬力紡紗機根本不存在兩對羅拉，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器底部錠子相連的錠翼臂，纏繞在靠錠子帶動的銅管上。這三根羅拉的轉動速度不同，也會對紗線起到牽伸作用，只是紗線的產品質量沒有現(xiàn)代的高。錠翼臂的轉動則完成紡紗的另一個最基本的工作——加捻?！盵1]

李文認為水力紡紗機就是畫面“顯示”的三根羅拉，而不是兩對羅拉。此結構非常關鍵，因為李文據(jù)此直接否定了水力紡紗機運用了現(xiàn)代紡紗技術中的牽伸機構，并依照自己的“三根羅拉”方案，構想并設計了三根羅拉的運動機制。但是，李文認為的纖維須條靠繞過三支水平放置的羅拉實現(xiàn)牽伸機制不可能實現(xiàn)，因為纖維須條在羅拉上繞行通過的接觸長度和包圍角明顯不足，會導致須條在摩擦牽伸中混亂與解體。事實上，阿克萊特水力紡紗機不但運用了現(xiàn)代羅拉牽伸機構(起握持作用的羅拉對)，而且其運行機制正是靠齒輪傳動機構。

當然，由于誤解了羅拉的根數(shù)，李文對整個運動機制的分析自然是錯誤的。本文分別從該水力紡紗機究竟采用了幾對牽伸羅拉、誤解的原因及羅拉運動機制三部分展開分析。

在展開討論之前，需要把“水力紡紗機”的名字理順下。李文認為，阿克萊特的“水力紡紗機”應該叫“馬力紡紗機”，因為其最初動力是馬力。事實的確如此，下文會給出阿克萊特親口對該紡紗機的解釋就說是以“馬力”為動力的。同時，李文也稱這僅是紡紗機的動力不同而已，對紡紗機的主體結構沒有影響?！都夹g史》中也認為，在阿克萊特的專利說明書中，機器是被設計成用一匹馬來拉動的，不過在最初通常采用的原動力是水(力)，因此就取名為水力紡紗機。這也是后來通常的叫法，本文沿用此稱謂。

2 究竟有幾對羅拉

阿克萊特的水力紡紗機有幾對羅拉？這應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：幸運的紡織工》中給出了1769年阿克萊特申請水力紡紗機專利的原話：

“A-齒輪和軸，它們要接受來自一匹馬的動力。B-轉輪，它驅動皮帶C進而驅動整部機器；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，使皮帶在右側可以與翼錠下方的軸緊密接觸，以增加摩擦力；同時E與F相接觸，從而使F轉動，從而驅動G)；G-木軸，可以驅動H輪進而驅動I。I-其由四對羅拉組成(其形式畫在了空白處)，羅拉的運動是靠黃銅及鋼制的齒輪實現(xiàn)。齒輪安裝在鐵盤K內。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)羅拉轉動快些，變細的棉紗然后由T-紗錠捻繞。K-如上所述，是兩塊鐵盤。L-是四個大的粗紗筒管，在羅拉的后面運轉。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，通過調整其松緊程度改變銅管的旋轉速度。S-四個錠盤。T-在鐵框上轉動的紗錠。W-整臺機器的木質框架?！盵3]

圖1 阿克萊特的水力紡紗機(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構，但與辛格記載的并不完全相同。辛格記載的是兩對羅拉，而阿克萊特本人說是四對。但是從圖1羅拉下方兩側附有鉛塊的鐵杠桿看，左右兩側各有四根，分別與四組滑輪組相連，從而佐證了牽伸機構是四對羅拉。阿克萊特說了空白處繪的是羅拉的形式，應該就是上面說的一種附以皮革(細節(jié)上又分兩種)，一種帶凹槽的；不能認為空白處畫的三支羅拉表明機械結構中僅有三支。

除此之外，還可以找出四份技術史資料作佐證。1900年出版的《19世紀的發(fā)明進程》中，對阿克萊特的水力紡紗機寫道：

“在紡紗方面下一個重要的進展便是羅拉牽伸機構的引入，它是一組以不同速度旋轉的羅拉牽伸粗紗，進而紡成紗線。這主要歸功于阿克萊特，他與哈格里夫斯(James Hargreaves)是同時代的人。盡管路易斯·保羅(Louis Paul)在英國分別于1738年申請的562號及1758年申請的742號專利中已經(jīng)出現(xiàn)了牽伸羅拉機制的雛形，但是阿克萊特首先把它用于實用機器，這體現(xiàn)在他于1769年申請的第931號專利和1775年申請的第1111號專利。阿克萊特的紡紗機如圖，牽伸羅拉機構就在圖的上部?！盵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其1769年專利的解釋，認為其有四對羅拉[5]。1952年亞·沃爾夫(Abraham Wolf)在《十八世紀科學、技術和哲學史》中，談到阿克萊特的水力紡紗機時，也說有四對羅拉(中譯本譯作“輥”)；而且書中對該機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，他明確說道：“毫無疑問，在阿克萊特的堅持下，他于1769年7月1日獲得了專利。他用四對羅拉恰當?shù)匕l(fā)展了紡紗機，每一對羅拉都比后一對快適宜的速度，并且之間保持適當距離用于紡紗，還用了(杠桿)配重以控制”[7]。

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

圖2 四對羅拉牽伸結構示意Fig.2 Schematic diagram of four pairs of roller drawing mechanism

3 “兩對羅拉”說產生的原因

那么辛格《技術史》中，在明確引用阿克萊特1769年專利圖的基礎上，為何還聲稱其上有“兩對羅拉”？誤解的原因可能是他把之前出現(xiàn)的水力紡紗機與阿克萊特發(fā)明的水力紡紗機混淆了。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(圖3)，并且已經(jīng)用到羅拉牽伸機構，只是用了兩

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

對羅拉。顯然，這臺水力紡紗機與阿克萊特1769年申請的專利有許多相似，只是前者時間更早。關于海斯與阿克萊特的關系，后者的確使用了前者已經(jīng)發(fā)明的機構，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的模型等。關于這方面的權威史料，可以參考理查德·格斯特(Richard Guest)的一本小冊子《棉紡生產簡史：對聲稱阿克萊特發(fā)明了精巧機器的反駁》，其中專門講述了水力紡紗機發(fā)展的許多細節(jié)，并附有后來因專利產生官司后法庭對海斯的調查記錄等[8]?？傊?，在18世紀下半葉，的確出現(xiàn)了兩對羅拉的水力紡紗機，但不是阿克萊特1769年申請的那種，因為后者有四對牽伸羅拉。此外，格斯特還繪有1775年阿克萊特改良后的水力紡紗機的機器圖，此機器也是四對羅拉組成的牽伸機構，不同的是在前兩對羅拉牽伸的同時，伴有并紗工序。

4 羅拉牽伸的機械動力機構

前文已經(jīng)談及，由于李文誤認為僅有三根羅拉，所以對羅拉動力機構的設想和分析是錯誤的。

前文阿克萊特說，羅拉運動機構是靠鐵盤K內由黃銅及鋼制的齒輪機構實現(xiàn)，但并未給出詳細說明。其實較早時期海斯發(fā)明的兩對羅拉的水力紡紗機也是靠齒輪機構實現(xiàn)，但也沒有詳細說明。在格斯特的小冊子中，盡管繪有阿克萊特1769年及1775年的紡紗機圖，但其中齒輪機構是如何控制四對羅拉的，并未顯示清楚，盡管運用齒輪機構實現(xiàn)四對羅拉的機械運動并不困難。

目前在英國倫敦科學博物館陳設有阿克萊特1775年申請水力紡紗機專利的仿制品，除了翼錠的數(shù)目成了8個——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。按照艾倫(Robert Allen)[9]的說法，第二對羅拉的轉速是第一對羅拉(從粗紗線筒出來的紗線首先進入的一對)的2倍，第三對又是第二對的2倍，也即它們的轉速為1︰2︰4。由于無法獲得該仿制品齒輪機構的細節(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另一件復制品(圖4)，它比較清晰地顯示了齒輪機構是如何驅動牽伸羅拉裝置的[10]。

仿制品中每對羅拉的轉動均是下羅拉轉動，上羅拉固定不動，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年專利的設計是一致的。只是羅拉數(shù)量采用了現(xiàn)在常用的三對形式。其中第一對羅拉為被動拖拽傳動，其速度取決于其加壓力(摩擦阻力)的大小。這樣，三對羅拉的轉動問題就轉化為了后兩對羅拉的主動轉動。

圖4中一共有6個齒輪，分別標識為A、B、C、D、E、F，其中水平齒輪A把原動力(馬力或水力)傳遞給整臺機器。豎立的大齒輪B與A嚙合后帶動第三對羅拉的下羅拉轉動，同時另一側的小立齒輪C實現(xiàn)把運動傳遞給第二對羅拉。由于第二對羅拉需要比第三對羅拉轉速慢，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變大，整部機器的尺寸便隨之變大。為了避免這種情況，就需要利用D、E齒輪周轉下，實際上相當于把嚙合位置調整為E、F，同時滿足了降速比。這里其實D、E整體相當于一個惰齒輪，使從動輪F轉動方向與C一致。由于C、E的齒數(shù)相同，C、F的傳動比等于E、F的傳動比，即若滿足C是F轉速2倍的話，只需F的齒數(shù)是C的2倍即可。如果羅拉對數(shù)再多的話，無非齒輪系再復雜一些，甚至齒輪AB一側也可以增設齒輪系，以驅動另外的羅拉?？傊?，阿克萊特水力紡紗機的牽伸羅拉是由這種齒輪系實現(xiàn)的。

圖4 羅拉驅動機構示意Fig.4 Schematic diagram of roller driving mechanism

5 結 語

在海斯、凱伊等人的基礎上，無論是阿克萊特1769年還是1775年獲得專利的水力紡紗機，均采用了四對羅拉的牽伸裝置，而不是李強等人之前認為的三支羅拉。羅拉運動機制是由齒輪系實現(xiàn)，但不是李文設計的形式。

志謝:加州大學伯克利分校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,李斌,李建強.對英國工業(yè)革命時期紡織機械發(fā)明傳統(tǒng)觀點的再解讀[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.技術史:第4卷 工業(yè)革命[M].上海:世紀出版集團,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.十八世紀科學、技術和哲學史：下冊[M].北京:商務印書館,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