再谈阿克莱特水力纺纱机的罗拉牵伸机构

2016-12-10史晓雷

丝绸 2016年11期

关键词：李文罗拉纱线

史晓雷

(中国科学院自然科学史研究所，北京 100190)

历史与文化

再谈阿克莱特水力纺纱机的罗拉牵伸机构

史晓雷

(中国科学院自然科学史研究所，北京 100190)

李强等人于2014年在《丝绸》发表了《对英国工业革命时期纺织机械发明传统观点的再解读》，其中认为阿克莱特水力纺纱机采用了三支罗拉的牵伸机构，并设计了其运动机制。针对其提到的“三支罗拉”牵伸机构，根据阿克莱特本人对1769年专利的解释，以及后来的技术史资料，研究认为这种纺纱机采用了四对罗拉的牵伸机构；该运动机构由齿轮系驱动，并非李强等人设计的那种含有锥齿轮的形式。

阿克莱特；水力纺纱机；罗拉牵伸；工业革命；技术史；纺织史

《丝绸》2014年第6期刊载了李强等的《对英国工业革命时期纺织机械发明传统观点的再解读》[1](以下简称李文)，其中第三部分是“水力纺纱机再解读”。由于李文对该部分的论述，即对英国阿克莱特(李文译作“阿克赖特”)水力纺纱机的论述，没有关注或参考到西方技术史研究的相关成果，对水力纺纱机的基本工作原理与机构存在误解。笔者不揣冒昧，予以纠正，敬请专家指正。

1 误解之处

在对水力纺纱机的论述中，李文认为许多学者表述不对，并引用了英国查尔斯·辛格(Charles Singer)等主编的《技术史》对水力纺纱机的描述：

“纺纱机件顶部有4只铜管(引者注：英文原文只是写了“four bobbins”，应该译作“四支绕线轴/筒”)，水平横向放置，上面绕着粗纱。从每只铜管拉出粗纱，通过两对罗拉按照不同铜管被分成4部分。第二对罗拉运动得比第一对要快，这样就可以把粗纱拉长，然后向下通过与位于机器底部锭子相连的锭翼臂，缠绕在靠锭子带动的筒管上。”[2]

李文对上文表示了质疑：“笔者认为这一解释与图例是不符合的，因为图6(引者注：即本文图1)中明明只有三个罗拉(即图6中C)，何来两对罗拉？这明显将现代纺织技术中一对上、下罗拉起着握纱线的作用移用于马力纺纱机。另外，又将现代纺纱技术中两个最基本的工作之一——牵伸作用移用于马力纺纱机，即前后有两对罗拉，前罗拉的速度大于后罗拉的速度，就会起到纱线的牵伸作用。笔者仔细观察图6认为：马力纺纱机根本不存在两对罗拉，仅有三只罗拉，并且这三只罗拉呈水平放置，每根纱线一上一下一上或一下一上一下地绕过罗拉，然后向下通入与位于机器底部锭子相连的锭翼臂，缠绕在靠锭子带动的铜管上。这三根罗拉的转动速度不同，也会对纱线起到牵伸作用，只是纱线的产品质量没有现代的高。锭翼臂的转动则完成纺纱的另一个最基本的工作——加捻。”[1]

李文认为水力纺纱机就是画面“显示”的三根罗拉，而不是两对罗拉。此结构非常关键，因为李文据此直接否定了水力纺纱机运用了现代纺纱技术中的牵伸机构，并依照自己的“三根罗拉”方案，构想并设计了三根罗拉的运动机制。但是，李文认为的纤维须条靠绕过三支水平放置的罗拉实现牵伸机制不可能实现，因为纤维须条在罗拉上绕行通过的接触长度和包围角明显不足，会导致须条在摩擦牵伸中混乱与解体。事实上，阿克莱特水力纺纱机不但运用了现代罗拉牵伸机构(起握持作用的罗拉对)，而且其运行机制正是靠齿轮传动机构。

当然，由于误解了罗拉的根数，李文对整个运动机制的分析自然是错误的。本文分别从该水力纺纱机究竟采用了几对牵伸罗拉、误解的原因及罗拉运动机制三部分展开分析。

在展开讨论之前，需要把“水力纺纱机”的名字理顺下。李文认为，阿克莱特的“水力纺纱机”应该叫“马力纺纱机”，因为其最初动力是马力。事实的确如此，下文会给出阿克莱特亲口对该纺纱机的解释就说是以“马力”为动力的。同时，李文也称这仅是纺纱机的动力不同而已，对纺纱机的主体结构没有影响。《技术史》中也认为，在阿克莱特的专利说明书中，机器是被设计成用一匹马来拉动的，不过在最初通常采用的原动力是水(力)，因此就取名为水力纺纱机。这也是后来通常的叫法，本文沿用此称谓。

2 究竟有几对罗拉

阿克莱特的水力纺纱机有几对罗拉？这应该从其专利的原始资料中去找答案。菲顿(R.S. Fitton)在《阿克莱特家族：幸运的纺织工》中给出了1769年阿克莱特申请水力纺纱机专利的原话：

“A-齿轮和轴，它们要接受来自一匹马的动力。B-转轮，它驱动皮带C进而驱动整部机器；D-铅块，它用于保持小筒轮F依附于增压轮E上(译者注：E轮的作用是给皮带C以张力，使皮带在右侧可以与翼锭下方的轴紧密接触，以增加摩擦力；同时E与F相接触，从而使F转动，从而驱动G)；G-木轴，可以驱动H轮进而驱动I。I-其由四对罗拉组成(其形式画在了空白处)，罗拉的运动是靠黄铜及钢制的齿轮实现。齿轮安装在铁盘K内。罗拉上棉纱通过的部分用木料包裹，上罗拉再附以皮革，下罗拉刻有凹槽，这样棉纱便可通过。(前面的)罗拉要比(后面的)罗拉转动快些，变细的棉纱然后由T-纱锭捻绕。K-如上所述，是两块铁盘。L-是四个大的粗纱筒管，在罗拉的后面运转。M-从粗纱筒管到纱锭的四根纱线，中间穿过固定在木架V上的四个小绳环。N-附有铅块的铁杠杆，依靠滑轮组悬挂于罗拉上，可使罗拉接触更紧密。O-横跨木架，铁杠杆固定其上。P-筒管和翼锭。Q-木质锭翼，其边上有引线可使棉纱卷绕到筒管上。R-窄毛线带，通过调整其松紧程度改变铜管的旋转速度。S-四个锭盘。T-在铁框上转动的纱锭。W-整台机器的木质框架。”[3]

图1 阿克莱特的水力纺纱机(1769年)Fig.1 The water frame of Arkwright(1769)

从阿克莱特的描述看，的确用到了罗拉牵伸机构，但与辛格记载的并不完全相同。辛格记载的是两对罗拉，而阿克莱特本人说是四对。但是从图1罗拉下方两侧附有铅块的铁杠杆看，左右两侧各有四根，分别与四组滑轮组相连，从而佐证了牵伸机构是四对罗拉。阿克莱特说了空白处绘的是罗拉的形式，应该就是上面说的一种附以皮革(细节上又分两种)，一种带凹槽的；不能认为空白处画的三支罗拉表明机械结构中仅有三支。

除此之外，还可以找出四份技术史资料作佐证。1900年出版的《19世纪的发明进程》中，对阿克莱特的水力纺纱机写道：

“在纺纱方面下一个重要的进展便是罗拉牵伸机构的引入，它是一组以不同速度旋转的罗拉牵伸粗纱，进而纺成纱线。这主要归功于阿克莱特，他与哈格里夫斯(James Hargreaves)是同时代的人。尽管路易斯·保罗(Louis Paul)在英国分别于1738年申请的562号及1758年申请的742号专利中已经出现了牵伸罗拉机制的雏形，但是阿克莱特首先把它用于实用机器，这体现在他于1769年申请的第931号专利和1775年申请的第1111号专利。阿克莱特的纺纱机如图，牵伸罗拉机构就在图的上部。”[4]

1920年琼斯(Alfred Seymour Jones)在《棉纺中罗拉牵伸的发明》同样引用了阿克莱特对其1769年专利的解释，认为其有四对罗拉[5]。1952年亚·沃尔夫(Abraham Wolf)在《十八世纪科学、技术和哲学史》中，谈到阿克莱特的水力纺纱机时，也说有四对罗拉(中译本译作“辊”)；而且书中对该机器插图的解说与前文阿克莱特自己的说明基本一致，只是更为简洁一些[6]。1970年理查德L. 希尔斯(Richard L. Hills)发表了《阿克莱特和他1769年获得的专利》。在谈到1769年的专利时，他明确说道：“毫无疑问，在阿克莱特的坚持下，他于1769年7月1日获得了专利。他用四对罗拉恰当地发展了纺纱机，每一对罗拉都比后一对快适宜的速度，并且之间保持适当距离用于纺纱，还用了(杠杆)配重以控制”[7]。

可见无论是阿克莱特本人，还是后来的技术史料，均说明这种水力纺纱机采用了四对罗拉牵伸机构。至于其细节如何，不妨参考琼斯绘的四对罗拉牵伸的机构示意图(图2)。尽管该示意图针对的是阿克莱特1775年的专利，但四对罗拉装置仍延续了1769年专利的形式。粗纱从线筒L出来，经过四对罗拉牵伸，绕到翼锭上，同时完成卷绕和加捻工序。这种罗拉牵伸就是现代的多对罗拉牵伸，由于有三个牵伸区，总的牵伸倍数等于三个牵伸倍数的总乘积。从图2还能看到，利用杠杆、滑轮机构的加压措施，保证了罗拉之间的握持力。

图2 四对罗拉牵伸结构示意Fig.2 Schematic diagram of four pairs of roller drawing mechanism

3 “两对罗拉”说产生的原因

那么辛格《技术史》中，在明确引用阿克莱特1769年专利图的基础上，为何还声称其上有“两对罗拉”？误解的原因可能是他把之前出现的水力纺纱机与阿克莱特发明的水力纺纱机混淆了。在1769年之前，托马斯·海斯(Thomas Highs)和约翰·凯伊(John Key，注意这位凯伊与工业革命时期发明飞梭的凯伊同名，但是另一人)已经发明了一种水力纺纱机(图3)，并且已经用到罗拉牵伸机构，只是用了两

图3 海斯和凯伊合作发明的水力纺纱机示意Fig.3 Water frame by Highs and Kay

对罗拉。显然，这台水力纺纱机与阿克莱特1769年申请的专利有许多相似，只是前者时间更早。关于海斯与阿克莱特的关系，后者的确使用了前者已经发明的机构，但并非李文所言海斯是阿克莱特理发店的顾客，并给阿克莱特做了水力纺纱机的模型等。关于这方面的权威史料，可以参考理查德·格斯特(Richard Guest)的一本小册子《棉纺生产简史：对声称阿克莱特发明了精巧机器的反驳》，其中专门讲述了水力纺纱机发展的许多细节，并附有后来因专利产生官司后法庭对海斯的调查记录等[8]。总之，在18世纪下半叶，的确出现了两对罗拉的水力纺纱机，但不是阿克莱特1769年申请的那种，因为后者有四对牵伸罗拉。此外，格斯特还绘有1775年阿克莱特改良后的水力纺纱机的机器图，此机器也是四对罗拉组成的牵伸机构，不同的是在前两对罗拉牵伸的同时，伴有并纱工序。

4 罗拉牵伸的机械动力机构

前文已经谈及，由于李文误认为仅有三根罗拉，所以对罗拉动力机构的设想和分析是错误的。

前文阿克莱特说，罗拉运动机构是靠铁盘K内由黄铜及钢制的齿轮机构实现，但并未给出详细说明。其实较早时期海斯发明的两对罗拉的水力纺纱机也是靠齿轮机构实现，但也没有详细说明。在格斯特的小册子中，尽管绘有阿克莱特1769年及1775年的纺纱机图，但其中齿轮机构是如何控制四对罗拉的，并未显示清楚，尽管运用齿轮机构实现四对罗拉的机械运动并不困难。

目前在英国伦敦科学博物馆陈设有阿克莱特1775年申请水力纺纱机专利的仿制品，除了翼锭的数目成了8个——比1769年的多了一倍外，仿制品的牵伸罗拉也成了现代常见的三对。按照艾伦(Robert Allen)[9]的说法，第二对罗拉的转速是第一对罗拉(从粗纱线筒出来的纱线首先进入的一对)的2倍，第三对又是第二对的2倍，也即它们的转速为1︰2︰4。由于无法获得该仿制品齿轮机构的细节，本文选用著名的收集英国工业历史信息的网站Grace’s Guide to British Industrial History另一件复制品(图4)，它比较清晰地显示了齿轮机构是如何驱动牵伸罗拉装置的[10]。

仿制品中每对罗拉的转动均是下罗拉转动，上罗拉固定不动，只是在配重的压力下起到一定握持力的作用，这与阿克莱特1769年专利的设计是一致的。只是罗拉数量采用了现在常用的三对形式。其中第一对罗拉为被动拖拽传动，其速度取决于其加压力(摩擦阻力)的大小。这样，三对罗拉的转动问题就转化为了后两对罗拉的主动转动。

图4中一共有6个齿轮，分别标识为A、B、C、D、E、F，其中水平齿轮A把原动力(马力或水力)传递给整台机器。竖立的大齿轮B与A啮合后带动第三对罗拉的下罗拉转动，同时另一侧的小立齿轮C实现把运动传递给第二对罗拉。由于第二对罗拉需要比第三对罗拉转速慢，F齿轮的直径必须大，如果轴端两齿轮直接啮合(即C、F啮合)，那么两罗拉的间距就会变大，整部机器的尺寸便随之变大。为了避免这种情况，就需要利用D、E齿轮周转下，实际上相当于把啮合位置调整为E、F，同时满足了降速比。这里其实D、E整体相当于一个惰齿轮，使从动轮F转动方向与C一致。由于C、E的齿数相同，C、F的传动比等于E、F的传动比，即若满足C是F转速2倍的话，只需F的齿数是C的2倍即可。如果罗拉对数再多的话，无非齿轮系再复杂一些，甚至齿轮AB一侧也可以增设齿轮系，以驱动另外的罗拉。总之，阿克莱特水力纺纱机的牵伸罗拉是由这种齿轮系实现的。

图4 罗拉驱动机构示意Fig.4 Schematic diagram of roller driving mechanism

5 结语

在海斯、凯伊等人的基础上，无论是阿克莱特1769年还是1775年获得专利的水力纺纱机，均采用了四对罗拉的牵伸装置，而不是李强等人之前认为的三支罗拉。罗拉运动机制是由齿轮系实现，但不是李文设计的形式。

志谢:加州大学伯克利分校Newspapers & Microforms图书馆为本文提供图3的缩微胶片，在此表示感谢。

[1]李强,李斌,李建强.对英国工业革命时期纺织机械发明传统观点的再解读[J].丝绸,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]查尔斯·辛格.技术史:第4卷工业革命[M].上海:世纪出版集团,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]亚·沃尔夫.十八世纪科学、技术和哲学史：下册[M].北京:商务印书馆,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]艾伦.近代英国工业革命揭秘:放眼全球的深度透视[M].杭州:浙江大学出版社,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