建武七年（公元三十一年），杜诗创造了利用水力鼓风铸铁的机械水排，这个水排是中国古代的一项伟大的发明，是机械工程史上的一大发明，约早于欧洲一千多年。引 这种钢材的制作方法，是中国发明的。最初的鼓风设备叫人排，用人力鼓动。继而用畜力鼓动，因多用马，所以也叫马排。直到杜诗时改用水力鼓动，称水排。

背景和原理简介

结构

汉代水排

用途

冶铁水排

创始人

文献资料

重大意义

背景和原理简介

水排是我国古代一种冶铁用的水力鼓风装置，在公元31年由杜诗创制，其原动力为水力，通过曲柄连杆机构将回转运动转变为连杆的往复运动。人类早期的鼓风器大都是皮囊，我国古代又叫“橐”。一座炉子用好几个橐，放在一起，排成一排，就叫“排囊”或“排橐”。用水力推动这种排橐，就叫“水排”。

结构

杜诗创制的水排，具体的结构当时缺乏记载，直到元朝王祯在他著的《王祯农书》中，才对水排作了详细的介绍。

“其制，当选湍流之侧，架木立铀，作二卧轮；用水激下轮。则上轮所用弦通缴轮前旋鼓，棹枝一侧随转。其棹枝所贯行桄而推挽卧铀左右攀耳，以及排前直木，则排随来去， 揙冶甚速，过于人力。”——王帧《农书》

选择湍急的河流的岸边，架起木架，在木架上直立一个转轴，上下两端各安装一个大型卧轮，在下卧轮（水轮）的轮轴四周装有叶板，承受水流，是把水力转变为机械转动的装置；在上卧轮的前面装一鼓形的小轮（“旋鼓”），与上卧轮用“弦索”相联（相当于现在的传送皮带）；在鼓形小轮的顶端安装一个曲柄，曲柄上再安装一个可以摆动的连杆，连杆的另一端与卧轴上的一个“攀耳”相联，卧轴上的另一个攀耳和盘扇间安装一根“直木”（相当于往复杆）。这样，当水流冲击下卧轮时，就带动上卧轮旋转。由于上卧轮和鼓形小轮之间有弦索相连，因此上卧轮旋转一周，可使鼓形小轮旋转几周，鼓形小轮的旋转又带动顶端的曲柄旋转，这就使得和它相连的连杆运动，连杆又通过攀耳和卧轴带动直木往复运动，使排扇一启一闭，进行鼓风。

汉代水排

最早见于《后汉书·杜诗传》“……建武七年（31），迁南阳太守，造作水排，铸为农器，用力少，而见功多，百姓便之。”“冶铁者为排吹炭，今激水鼓之也。”这说明东汉建武七年河南南阳地区，首先使用了这种先进技术。南阳自战国时，就是著名的冶铁基地。汉武帝曾在此设铁官，据发掘材料，南阳郡内有汉代冶铁和铸造作坊 5 至 7 处，从事冶铁者世代相传，在鼓风冶铸方面积累了丰富经验。在水排之前，早已使用水碓舂米，杜诗正是总结了这些经验发明了水排。水排是利用水力进行鼓风的冶铁设备。王祯《农书》记载的水排构造是，在一立轴上，作上下二卧轮，用水激转下轮，则上轮用绳套带动另一个小轮，在小轮上装一个曲柄，再由一个连杆和另一个曲柄传到一个卧轴，经攀耳以及排前直木，则排（木排）随来去，将风鼓进炼炉。汉代水排较简单，排橐是当时的冶铸鼓风器，外部用皮革制成，内部用木环作骨架，体上用吊杆挂起，以便推压鼓风。其构造是，在一横轴的顶端，作一竖轮，然后在横轴中间置一拨子，水激竖轮转动横轴，使木拨子推动连杆和一个曲柄及橐前的从动杆使皮橐推压鼓风。中国历史博物馆根据《后汉书·杨璇传》和山东滕州出土的东汉画像石刻复原了东汉的冶铁水排（排橐），并在中国通史陈列中展出。

用途

利用水力鼓动鼓风设备向铸铁炉里压送空气。用水排代替人排、马排，大大提高了劳动生产率。古代每一熟石合一百二十斤。马排用马一百匹冶铁一百二十斤；改用水排，在同样的时间内，可以冶铁三百六十斤，提高功效三倍。

冶铁水排

冶铁水排——

水排是我国古代一种冶铁用的水利鼓风装置。人类早期的鼓风器大都是皮囊。一座炉子用好几个囊，放在一起，排成一排，就叫"排囊"用水力推动这些排囊，就叫"水排"。水排发明于东汉早期，是南阳太守杜诗（？－38）在总结劳动人民实践经验基础上发明的。因为它"用力少，见功多"所以大家乐于使用。三国时期的韩暨把它推广到了魏国官营冶炼作坊中，用水排代替过去的马排、人排，四季不歇。水排不但节省了人力、畜力，而且鼓风能力比较强，因此促进了冶铁业的发展。水排在我国沿用了很长一个时期，直到本世纪七十年代，一些地方还在使用。汉代的水排由同一时期的水碓和翻车结构推测，也是一种轮轴拉杆传动装置、我国古代水排构造的详细技术最早见于元代的《王祯农书》，依水轮放置方式的差别，分为立轮式和卧轮式两种。都是通过轮轴、拉杆及绳索把圆周运动变成直线往复运动的，以此达到起闭风扇和鼓风的目的。因为水轮转动一次，风扇可以起闭多次，所以鼓风效能大大提高。

创始人

杜诗，河南汲县人。光武帝时，为侍御史。建武七年（公元31年），任南阳太守时，创造水排（水力鼓风机），以水力传动机械，使皮制的鼓风囊连续开合，将空气送入冶铁炉，铸造农具，用力少而见效多。他还主持修治陂池，广开田池，使郡内富庶起来。有“杜母”之称。南阳人称赞说：“前有召父（召信臣），后有杜母”。

文献资料

关于水排的记载，最早见于《东观汉记》、《后汉书》等文献。

1、《后汉书·杜诗传》称：“（建武）七年（31），遇南阳太守，……善于计略。省爱民役。造作水排，铸为农器，用力少，见功多，百姓便之。”

2、《水经注》说：“白超垒侧旧有坞，故冶官所在，魏、晋之日，引谷水为冶以经国用，遗迹尚存。”

3、《太平御览·资产部》引《武昌记》云：“北挤湖本是新兴冶圹湖。元嘉初发水冶。水冶者，以本排。冶令颜茂以数破坏，难为功力，因废水冶以人鼓排，谓之步冶，湖且因破坏不复修冶，冬日则涸”。

4、唐李贤在《后汉书·杜诗传》注文说：“冶铸者为排以吹炭，令激水以鼓之也。”

5、《三国志·魏书。韩暨传》说：“（韩暨）徒监冶谒者。旧时冶，作马排。每一熟石用马百匹，更作人排，又费功力。暨乃用长流为水排，计其利益，三倍于前。”

根据历史文献记载，水排大概始创于东汉时期(公元二十五——二二零年)。《后汉书·杜诗传》记载，建武七年(公元三十一年)，杜诗创造了利用水力鼓风铸铁的机械——水排。杜诗“善于计略，省爱民役。造作水排，铸为农器，用力少，见功多，百姓便之。”铸铁需要鼓风设备向炉里压送空气，提高温度，最早是用牛皮袋压送空气，后来才创造出活塞送空气的风箱。用来鼓风的动力有一个逐渐演变的历史过程。最初的鼓风设备叫人排，用人力鼓动。继而用畜力鼓动，因多用马，所以也叫马排。直到杜诗时改用水力鼓动，称水排。

唐李贤在《后汉书·杜诗传》注文说：“冶铸者为排以吹炭，令激水以鼓之也。”就是利用水力鼓动鼓风设备向铸铁炉里压送空气。用水排代替人排、马排，大大提高了劳动生产率。《三国志·魏书。韩暨传》说：“(韩暨)徒监冶谒者。旧时冶，作马排。每一熟石用马百匹，更作人排，又费功力。暨乃用长流为水排，计其利益，三倍于前。”古代每一熟石合一百二十斤。马排用马一百匹冶铁一百二十斤；改用水排，在同样的时间内，可以冶铁三百六十斤，提高功效三倍(见图5-14)。

水排是机械工程史上的一大发明，约早于欧洲一千多年。

重大意义

杜诗创制的水排，不仅运用了主动轮、从动轮、曲柄、连杆等机构把圆周运动变为拉杆的直线往复运动；还运用了皮带传动，使直径比从动轮小的旋鼓快速旋转。它在结构上，已具有了动力机构、传动机构和工作机构三个主要部分，因此实际上可以看作是现代水轮机的前身，水排的出现标志着中国复杂机器的诞生。远在一千四百多年以前的今天，就能创制出这样完整的水力机械，确实显示了中国古人的高度智慧和创造才能，在世界科技史上占有重要的地位。在欧洲，使用水力鼓风设备的鼓风炉到公元十一世纪才出现，而普遍使用却是十四世纪的事了。

水力鼓风有十分重要的意义，它加大了风量，提高了风压，增强了风力在炉里的穿透能力。这一方面可以提高冶炼强度，另一方面可以扩大炉缸，加高炉身，增大有效容积。这就大大地增加了生产能力。足够强大的鼓风能力，足够高大的炉子，是炼出生铁的必要条件。欧洲人能在十四世纪炼出生铁来，和水力鼓风的应用是有一定关系的。水排的发明是人类利用自然力的一次伟大胜利。

远在一千四百多年以前的今天，就能创制出这样完整的水力机械，确实显示了中国古人的高度智慧和创造才能，在世界科技史上占有重要的地位。