中国古代农业机械研究

于灏++杨建鸣++马海霞++高宇航++梁亮

摘 要：中国是一个农业大国，为了提高生产效率，减轻劳动强度，中国古代出现了大量的先进农业机械。它们不但设计巧妙制作精良而且清洁环保，处处体现了中国古代劳动人民的聪明才智，同类机械往往比西方国家先进几百或是上千年。大量现在机械都是对古代机械的继承与发展。在人与自然冲突加剧的今天，研究古代机械更具价值。本文从历史的角度出发研究了古代农业机械的分类与分期问题，并举例剖析了古代机械的先进之处，归纳了古代农业机械的设计思想。

关键词：古代机械 农业机械 设计思想

中图分类号：S22 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）09（c）-0118-02

中国是一个农业大国，它幅员辽阔、物产丰富而且人口众多。为了提高生产效率，减轻体力劳动，中国古代出现了大量的优秀农具或称田器、农器等，现在统称为农业机械。

古代农业机械是中国古人脑力与体力的延伸。机械是机器与机构的统称。古人对机械的特征的描述是“用力少，致功大”，而现代对机械的特征描述则是：其是组合体；其各个部件要实现唯一的与规定的运动；其可实现能量的转换，把驱动能转换成有效的机械能或其他所需的形式。其中只具有前两个特征的称作机构，三个特征都满足的称作机器[1]。

1 古代农业机械分类

目前研究者把农业机械分成7类[2]。这7类机械分别是整土机械、播种机械、中耕除草机械、灌溉机械、收获脱粒机械、加工机械与运输机械。本文则依据农业生产程序与农作物生长规律把农业机械分成5类，即：整土机械（耒、耜、犁）、播种机械（耧车）、助长机械、收获机械与加工机械（水碓、水磨）。其中助长机械包括中耕除草机械（锄、耘锄）与灌溉机械（翻车、水车），收获机械包括收获脱粒机械（镰刀、连枷）与运输机械（推车）。

2 古代农业机械分期

中国古代机械可以分为4个时期，3代以前是古代机械孕育期。3代到先秦是迅速发展时期；秦汉到宋元是成熟期。秦汉至宋元几千年领先于世界，在秦汉时期已经成熟，宋元是古代机械发展的巅峰；明到清晚期是缓慢发展期。农业机械作为机械史的重要一部分，也符合这一发展规律[1-4]。

3 经典机械举例

3.1 耧车

耧车属于播种机械。由图可以看出耧车由耧身、耧铧、耧斗等三部分构成。耧车可以完成开沟、下种与覆盖三道种植工序。一人一牛一天可以耕种667公亩土地，效率较高。2000多年后的今天现代的播种机与其功能、原理相似。只是现代机械所用的材料与驱动力较古代更为先进[5]。

3.2 立轴式风车

中国已知的最早关于利用风力的文字记载是在3000年前。风车的出现也有1700年左右的历史，特别是10世纪后风车基本遍及中国全境。按照主轴与地面的角度可以把风车分成两类即卧轴式（主轴平行于地面）与立轴式（主轴垂直于地面），立轴式风车是中国所特有。它主要应用于沿海地区与长江流域。它主要用于提水制盐或是灌溉农田。现在常常把其与提水部分统称为立轴式风车，其实这一说法不够准确。立轴式风车与点机与内燃机一样是动力装置，而提水的部分准确来讲应该称作翻车。

立轴式风车的巧妙之处在于其可以利用八面来风单向转动，而且效率极高。还可以通过调节帆的高度来适应不同强度的风。图1是两种立轴式风车的风帆悬挂方式示意图。以塘沽型为例，图2是风帆受力图。由图2中可以看出风帆在顺风时在风力、拉力与桅杆支持力的共同作用下，风帆与风力垂直，产生扭矩使风车旋转。当风帆逆风时，在风力与杆支持力的共同作用下风帆旋转到方向与风向平行，风帆不受力。这就使得立轴式风车驱动力大、阻力小、能量利用率高。依据受力分析与计算机辅助分析可以得知立轴式风车的力矩与功率变化符合正弦规律，且运行平稳[6]。现在的路灯也常用立轴式风车发电供能。

在翻车设计中，体现出了转轴、心轴、链轮与链等现代机械元素。而且风车是通过齿轮和传动轴与翻车相连以传递扭矩。其中风车是原动件，齿轮与传动轴构成传动件，翻车是执行件。这已经与现代机械的构成一致了。窥一斑可见全豹，中国古代机械的发达程度可想而知。

3.3 古代农业机械设计思想

（1）循序渐进、勇于创新。中国古代的农业机械经过长期积累后逐步成熟，曾经领先世界数千年，主要是中国劳动人民遵守量变与质变规律，不但循序渐进，当积累到临界状态时还能发挥人的主觀能动性勇于创新。牛耕的演化便是这一论题很好的论据。

（2）合理利用自然资源，道法自然。天人合一是中过古人的最高精神追求，古代的农业文明依靠自然、敬畏自然，古代中国人是改造自然与保护自然的典范。中国古代机械以人力、畜力、水力与风力等为能源，清洁环保，“取之不尽，用之不竭”。

（3）刚柔并济，阴阳相合。上文中所提到的立轴式风车就是典型的例子，所用木材质地坚硬刚度较大，绳子与帆面则刚度较小。运转过程中，顺风的帆面与风向垂直，直面冲击，逆风的帆面随风而转，顺势而为，这些都体现了中国道家的经典思想——道法自然。

（4）循环往复，生生不息。水车与桶车等灌溉机械，利用水的冲击力运转而实现提水的目的，设计巧妙，不假外力，水流不舍，灌溉不停。

（5）累加并联。赵过改进的耧车有3只耧脚，一次并联3个便使得效率提高3倍，简单但是实用。牛转连磨，由牛转动中心齿轮，齿轮驱动与之啮合的8个小齿轮从而驱动8个石磨同时工作，也是对这一思想的正确运用。

中国是文明古国，工艺也许会落后，但是思想不会。从青蒿素的提取到一带一路的提出都证明了古代遗宝在今天的惊人价值。机械领域也同样可以进行研究与发掘，达到古为今用的目的。

参考文献

[1] 陆敬严，华觉明.中国科学技术史（机械卷）[M].北京：科学出版社，2000.

[2] 刘仙洲.中国古代在农业机械方面的发明[J].农业机械学报，1962（1）：1-36.

[3] 冯立升.中国机械史的分期问题[J].科学、技术与辩证法，1986（3）：57-63.

[4] 陆敬严.中国古代机械发展概况[J].机械工程，1989（2）：41-44.

[5] 周昕.耧车初考[J].中国农史，2001（3）：76-82.

[6] 易颖琦，陆敬严.立轴式大风车及其受力分析[J].同济大学学报：自然科学版：1996（3）.endprint