慢轮成形技术发展的机械学思考

熊春华，曾 瑜，郑乃章

慢轮成形技术发展的机械学思考

熊春华，曾 瑜，郑乃章

(景德镇陶瓷大学，江西 景德镇 333001)

通过对比社会学调查和考古资料，推测古代慢轮成形技术的发展历程为泥条盘筑、初级慢轮到泥条拉坯、高级慢轮。运用机械学知识对慢轮进行机构运动分析，得出慢轮是一种省力费距离的杠杆；转动惯量与其质量和半径成正比，决定转动持久性；通过配重、车筒提高惯性、稳定性；滑动摩擦力大是其缺陷，影响转动持久性。慢轮是中国古代陶瓷成形技术史上最早的机械装置，其发展存在演变规律。

制陶技术；慢轮成形；运动分析

0 引 言

慢轮成形技术主要存在于原始社会制陶中，考古发掘实物稀少，文献记载寥寥，国内外关于中国古代制陶工艺尤其是成形技术的研究较少，八十年代后李文杰等学者发表了关于慢轮成形技术较系统的论著[1]。但此后学者的研究方法和视点创新较少，尤其是对慢轮机构运动的分析较浅，欠缺以技术发展规律对慢轮向快轮的演进趋势进行总结。

本文以机械学角度，对关于慢轮技术的社会学调查和考古资料进行部分总结，初步推测中国古代慢轮技术发展进程，对其进行机构运动分析，并归纳其地位及向快轮成形技术的演进规律，填补该研究领域的部分空白。

慢轮成形技术是从手制到轮制的关键过渡技术，促进了中国原始制陶业的发展，并为快轮乃至瓷器的发明打下了技术基础，在中国古代科学技术史上占有重要地位。对慢轮机构的运动分析研究，及对其技术演进规律的归纳总结，对促进中国陶瓷技术与机械发展史的交叉研究具有一定的意义。

1 从相关研究资料推测慢轮演变历程

原始、传统慢轮技术考察报告：由于中国普遍使用快轮制瓷，慢轮多为远古制陶用，考古发掘及文献资料稀少。但西南少数民族、部分地方仍保存着较原始、传统的慢轮成形技术，对其进行对比研究，对推测古代中国慢轮成形技术演变历程具有一定借鉴意义。

1.1 各类慢轮特点

(1)泥条盘筑：云南西双版纳傣族曼贺寨将平底垫板搁大腿上、曼各寨以圆底转盘置地面转动；曼炸寨以木轴插入地内，套上木轮盘用脚趾拨动，成形速度和规整度显著提高；曼斗寨轮盘呈倒圆台体，底部嵌竹筒置木轴上，以足趾拨动(图1)[4]。

(2)泥条拉坯：曼朗寨轮盘厚重，用手拨动；广西靖西龙腾中屯轮盘(图2)盘柱一体[5]；念者屯用脚蹬轮；山东为一人蹬轮一人制坯，薛家窑用木条、铁丝加固盘底，中间置带孔厚横木，柘沟镇与之类似；西城汇铁制圆锥位于厚轮盘背面，与粗木轴顶圆窝契合，盘底附木框，套在竖嵌若干铁条的轴上。

笔者认为成熟快轮应满足三个条件：一次拉坯、一人操作和可用棍搅。由于泥条拉坯技术先以慢轮慢转泥条盘筑，再短时急转轮盘，分段提拉器壁成粗坯，无法一次成形；山东类形慢轮甚至需要两人操作，一人专门蹬轮；各类泥条拉坯技术使用的轮盘都不是以棍搅动。故泥条拉坯应不是严格意义上的快轮成形技术，属于慢轮到快轮间过渡技术。本文称其成形工具为高级慢轮(初级快轮)，对泥条盘筑后慢转修整的工具称为初级慢轮。

表1 部分典型原始、传统陶器成形技术对比Tab.1 Comparison of some commonly-used primitive and traditional forming technologies

图1 曼斗寨慢轮构造Fig.1 Slow wheel structure from Mandouzai

1.2 慢轮考古发掘

跨湖桥木质陀形器可能是发现最早的慢轮构件(图3、4)：略呈梯形圆台，台面有凸起小圆柱，或为慢轮的轴[6]。李湘生认为秦安大地湾遗址石环(图5)是制陶轮盘：两面较平，直径约12 cm，厚2-3 cm，孔中间窄两边宽，最大直径约3 cm；石棍是轴：长约10 cm，直径3-4 cm，两头尖，一头留有旋转痕迹。推测以轴插入地面或木头，石环安在轴上，加上动物油脂润滑便能转动[7]。西安半坡遗址斜腹翻唇盘(图6)：腹浅斜，底小，倒置时唇方折外翻下垂，末端有倒置唇面[8]。禚振西以此为制陶转盘：使用时小底在下，用手推动使之绕中轴旋转[9]。李仰松认同陶盘为制陶用，但提出应为小底朝上，置于木制慢轮轮盘。因小平底朝上，大底向下，置轮盘上较平稳，便于泥条盘筑；盘腹部反弧形向下，外圈宽沿内折成凹槽，可暂存修坯削下的泥片，易于移走陶转盘；可将陶坯倒置于宽平沿面、反扣在凹槽内或在槽内置器座放上陶坯进行彩绘等精细工序[4]。李文杰根据考古发掘复制北魏慢轮(图7)：轮盘呈饼状，由整块或数块木板拼接制成；车筒上部为实心、方柱形桦头，垂直插入轮盘中央卯眼，下部为空心圆筒；车桩下部垂直栽入车坑底部土中。车筒套在车桩上部，用手或脚趾拨动轮盘[10]。

图2 靖西龙腾中慢轮轮盘Fig.2 Medium-slow wheel from Longteng, Jingxi

图3 跨湖桥慢轮底座Fig.3 Base of slow wheel from Kuahuqiao

图4 跨湖桥慢轮假想图Fig.4 Hypothetical drawing of slow wheel from Kuahuqiao

图5 秦安大地湾石环、石棍Fig. 5 Stone ring and rod from Dadiwan, Qin’an

图6 西安半坡仰韶文化陶转盘Fig.6 Potter’s wheel from Yangshao Culture in Banpo, Xi’an

结合以上社会学调查和考古资料，可初步推测中国古代慢轮成形技术发展历程：先是泥条盘筑：从平底木垫板置地面或大腿上大圆心转动；到圆底转盘地面近似定轴转动；再有轮盘附配重物或车筒，绕固定竖直轴做定轴转动，可慢轮修整器坯的初级慢轮；最后是泥条拉坯：转速更快、更持久的高级慢轮。

2 慢轮机构运动与缺陷分析

慢轮的轴对轮盘形成约束，使其作定轴转动。轴底深入地面固定，以锥形顶端支撑轮盘，用脚蹬或手拨轮盘，克服轮轴间的滑动摩擦转动。

把慢轮轮盘视作圆柱刚体，省去车筒等配重结构，则慢轮机械装置可简化为由轮盘和轴构成的杠杆。现以轮盘为对象，对其进行机构运动分析(图8)：

慢轮杠杆支点是轴的锥形尖端，动力F沿切线方向作用在半径为R的轮盘边沿；阻力P为轮盘所受滑动摩擦力大小之和，r是轴半径。则轮盘匀速转动时有：

因动力臂R大于阻力臂r，得F小于P，慢轮为省力、费距离的杠杆。

由于慢轮利用轮盘转动的惯性制陶(尤其是泥条拉坯技术)，要求转速平稳、具有一定的持久性，不可降速过快。故影响慢轮成形效果的关键因素是轮盘转动的惯性大小。圆柱刚体有：

即慢轮轮盘转动惯量与其质量及半径成正比。由于慢轮轮盘大多高出地面，制陶者坐在板凳上，用手或脚趾拨轮，受限于人的体型。为保证正常制陶，盘径不能过大，当盘径大到一定限度时，要继续增大转动惯量，只有通过加重即增厚来实现。

由于古代加工技术落后，慢轮轮轴间接触面不是整个轴顶圆锥面，轮盘和圆锥体间存有空隙，旋转时产生以轴顶圆锥尖端为支点的晃动，影响其工作面稳定，器物易歪斜。部分慢轮通过使轮盘整体向下延伸增重，如云南类型呈倒圆台体，广西类型为盘柱一体；山东类型在盘底附加配重横木或木框。这些措施在提高惯性的同时增加轮轴间接触面深度，减小晃动幅度，提高稳定性。如前文提到的龙腾中屯慢轮，通高23(盘高3、柱高20)厘米，盘径43、柱径30厘米，甚厚重。轴高25、最大直径6厘米，深入轮盘内18厘米[5]。

结合前文推测的慢轮演变历程和以上慢轮机构运动分析，可得慢轮成形技术的发展趋势是：不断增厚、附加配重木材或车筒，增加转动惯性和稳定性。

慢轮缺陷：影响慢轮成形效果的另一关键因素是轮轴间滑动摩擦力：

其中，N为轮轴接触面间的正压力，μ与轮盘和轴的材料、表面粗糙度和相对运动速度等有关。滑动摩擦力越大，转动需克服摩擦力做的功增加，动能损耗大，减速快，故摩擦力大小同样影响慢轮轮盘转动持久性。

图7 北魏慢轮构造Fig.7 Slow wheel structure of Northern Wei Dynasty

图8 轮盘机构运动分析Fig.8 The kinematic analysis of the wheel structure

慢轮通过增厚、底部配重或增加车筒，使轮盘提高惯性、增加轮轴间接触深度和面积，提高转动平稳性。但增重同时使轮盘对轴锥形顶端接触面的正压力增加，由公式(3)得滑动摩擦力增大，故轮盘质量不可过重；同时轮轴间接触面增大使轮轴间侧接触面的正压力增加，同样导致滑动摩擦力增加。此外即使选择硬度、耐磨性和加工性能较好的木材制作，木制轮盘和轴之间较大的滑动摩擦系数，仍使接触面很快磨损，导致回转精度降低，稳定性下降。

综上所述，慢轮通过不断配重、增加车筒的方式提高惯性、稳定性，导致其具有摩擦阻力大的缺陷，转速低、持久性差，无法一次拉坯成形，修坯工作量大，效率及使用寿命低。实现部分轮制的泥条提拉成形已达其技术发展的极限。如泥条盘筑的曼各寨慢轮脚趾拨每分钟6至10圈，泥条拉坯的曼朗寨慢轮用手急转达每秒3-5圈[3]，但很快减慢，故只能分段提拉；广西壮族慢轮成形平均20分钟，而湖北枝江快轮成形仅需1-5分钟[5]。

3 慢轮的地位及向快轮演变的趋势

3.1 慢轮成形技术的地位

慢轮成形技术的发展、成熟，促进了早期制陶技术的进步。比起使用简单工具做大圆心运动，不稳定且转速极慢、不持久的垫板制陶，做更平稳的定轴转动，转速、持久性大幅提升的轮轴组合机械慢轮极大提高了陶器成形效率及规整度。使用慢轮成形的泥条盘筑、泥条拉坯技术，是手制到轮制之间的关键过渡技术，在中国陶瓷成形技术史具有重要地位。

3.2 慢轮向快轮演变的趋势

为降低轮轴间的滑动摩擦系数以降低损耗、保证平稳并提高持久性，除使用动物油脂作润滑剂外，慢轮向快轮演变的趋势为：轮盘与轴的锥形尖端接触部位采用与木材间滑动摩擦系数小、表面粗糙度小的材料过渡，出现类似轴承作用，降低轮轴间的摩擦系数的构件，即瓷质或铁质轴顶碗。因为相比木材和木材，木材和铁质或瓷质物体之间的滑动摩擦系数要小；抛弃底部配重或车筒设计，仅以圆环状的瓷质或铁质荡箍在轴下部小面积接触，并通过木条与轮盘连接，保证旋转稳定性的同时，减小轮轴接触面积，从而减小其正应力，降低滑动摩擦力。

为继续增大惯性，慢轮的另一发展趋势为：轴深入地面，轮盘与地面略低近平行，制坯者平行地面而坐，从而可在不影响制陶的前提下增大盘径从而增加其转动惯量；由于轮盘是圆柱体，半径增加时可减小其厚度保持质量不变。由又公式(1)，盘径增大同时使动力臂增大，转动更省力。故慢轮由厚重向快轮的扁平化发展；为增大动力臂，慢轮还有一个发展趋势：改以脚趾、手拨动为使用长棍搅动，制陶者施力点在轮盘之外，在其半径长度基础上延长动力臂。

4 结 语

通过对比社会学调查和考古资料，推测慢轮技术的发展历程为：初级慢轮、泥条盘筑到高级慢轮、泥条拉坯。慢轮为快轮出现、瓷器发明打下了技术基础，是手制到轮制的关键过渡成形工具。慢轮是省力费距离杠杆；轮盘转动惯量与质量和半径成正比，决定转动持久性，是成形关键；轮盘向下延伸，或附加配重、车筒以提高惯性、增加轮轴接触面深度故提高稳定性。滑动摩擦力与轮轴接触面间的正压力、滑动摩擦系数成正比，并与轮盘和轴的材料、表面粗糙度等有关，影响持久性。慢轮提高惯性、稳定性的方式导致缺陷：摩擦力大，泥条拉坯技术已达其技术发展极限。慢轮向快轮演变趋势：轮轴接触部位采用滑动摩擦系数、表面粗糙度小的材料过渡；抛弃配重或车筒，仅通过环状物在轴下部小面积接触，并以木条连接轮盘；轴深入地面，盘面与地面平行，制坯者坐于地面；减小厚度，增加半径，改脚、手拨动为以棍搅动轮盘。

图9 慢轮缺陷分析Fig.9 Slow wheel defect analysis

[1]李文杰． 中国古代制陶工艺研究[M]． 北京: 科学出版社, 1996．

[2] 程朱海, 刘可栋, 张福康, 叶宏明． 云南省西双版纳傣族和西盟佤族原始制陶工艺考察报告[J]． 河北陶瓷, 1982, 04: 43-51．

[3] 汪宁生． 云南傣族制陶的民族考古学研究[J]． 考古学报, 2003, 02: 245-249．

[4] 李仰松． 仰韶文化慢轮制陶技术的研究[J]． 考古, 1990,12: 1102-1105．

[5] 付永旭． 广西靖西龙腾中屯壮族的原始制陶技术[J]． 南方文物, 2011, 03: 100-101,105．

[6] 柳志青, 沈忠悦, 柳翔, 施加农． 跨湖桥先民发明了陶轮和制盐[J]． 浙江国土资源, 2006, 03: 59．

[7] 李湘生． 试析仰韶文化彩陶的泥料、制作工艺、轮绘技术和艺术[J]． 中原文物, 1984, 01: 55．

[8] 中国科学考古研究所． 陕西省西安半坡博物馆编．西安半坡原始氏族公社聚落遗址． 北京: 文物出版社, 1963． 09: 117．

[9] 禚振西． 我国制陶转盘的起源及早期的应用[J]． 考古与文物, 1989, 04: 81-82．

[10]李文杰． 中国古代的轮轴机械制陶[J]． 文物春秋, 2007, 06: 9．

The Mechanical Thinking of the Forming Technology of Slow Wheel

XIONG Chunhua, ZENG Yu, ZHENG Naizhang
(Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403, Jiangxi, China)

By comparing sociological investigation results with archaeological data, it can be speculated that ancient ceramic forming technology of slow wheel developed from coil building to on primary slow wheel to throwing on advanced slow wheel. The mechanical analysis of the slow wheel motion indicates that the slow wheel is a kind lever that saves labor but moves a long distance. The rotational inertia is in direct proportion to the mass and radius, and decides the persistence of rotation; inertia and stability can be improved by adding weight or wooden barrel; high sliding friction is a defect which affects the persistence of rotation. The slow wheel is the earliest mechanism ever used in Chinese history for ancient ceramic forming and it has evolved by its own law.

pottery making technology; slow wheel forming; kinematic analysis

date:2017-02-15. Revised date: 2017-02-18.

TQ174.5

A

1006-2874(2017)03-0016-06

10.13958/j.cnki.ztcg.2017.03.004

2017-02-15。

2017-02-18。

江西省社会科学规划办公室(15WB17)。

Correspondent author:ZHENG Naizhang, male, PH.D., Professor.

郑乃章，男，教授，博士。

E-mail:znz1162@163.com