明以前我國軋花工具的傳承與創新

劉蘊瑩，張 妍，程隆棣,*

(1.東華大學紡織學院 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620;2.大連外國語大學 國際藝術學院，遼寧 大連 116044)

明以前我國軋花工具的傳承與創新

劉蘊瑩1，張 妍2，程隆棣1,*

(1.東華大學紡織學院 紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620;2.大連外國語大學 國際藝術學院，遼寧 大連 116044)

明以前我國軋花工具經歷了從手剝、趕輾、手搖、腳踏的發展過程，趕碾到手搖過程中輾軸、曲柄搖桿裝置的使用突破了我國古代棉紡織技術的瓶頸，手搖到腳踏解決了軋花過程中的動力傳動問題，為我國近現代棉紡織業的發展提供了技術動力和源泉。

棉花取籽；攪車；軋花機；棉紡織技術

棉籽粘生于棉桃的內部，很不容易剝離，因此脫棉籽是棉紡織區別于麻、毛、絲紡織工藝的最大不同之處，同時也是棉紡織技術進程中的一道難關[1]。

1 原始棉花取籽技術

最早關于棉花取籽技術的記載是直接用手從棉花中取出棉籽，陶宗儀的《南村輟耕錄》中記載人們曾用手直接剝離棉籽的方法。宋時期史炤的《通鑒譯文》、方芍的《泊宅編》、趙汝適的《諸蕃志》中(見表1)記載有用鐵杖、鐵筋碾壓的方法剝離棉籽的技術，這種方法取籽一般采用兩頭細中間粗的錘形鐵杖，在木板上回旋，由于棉纖維與鐵杖的摩擦力較大，纖維會貼著鐵杖一起滾動，棉籽與鐵杖摩擦力很小，最終纖維被鐵杖帶走，只留下棉籽(見圖1)[2]，起到去籽的效果。

劉仙洲在《中國古代在農業機械方面的發明》一文描述了關于谷物去糠皮的輾棒技術，先把帶糠皮的谷物放在比較平坦的石塊上，用手拿著另一較小的石棒在谷物上往復搓動或輾動，使糠皮脫下，這與棉花去籽時用鐵杖或鐵筋輾壓剝離棉籽的方法原理是相一致的[3]。根據劉仙洲的推斷至少在4000年以前，當人類最初進入農業社會并以谷物為主要食物后，人們已經開始把輾棒的相關原理用于日常農業生產中了[4]。雖然這一結論不能斷定何時、如何把輾棒應用于棉花去籽，但可以推斷是隨著棉花在我國的廣泛種植和使用，輾棒原理被人們逐漸應用于棉花的去籽技術中，替代原始的用手剝離棉籽的方法。

顯然木棍和鐵杖碾壓技術比用手剝落棉籽有進步，生產效率也有一定程度的提高，但不管是徒手剝籽，還是借助鐵杖、鐵筋或者木棒的力量來取籽的方法，因雙手的趕動力量有限，棉籽又生于棉英內部，數量不少，所以生產效率比較落后[5]。隨著宋以后棉花在我國廣泛種植，原始落后的取籽技術因效率低下，一定程度上使棉紡織生產停滯于脫棉籽這道工序上。

云南是我國較早種植棉、紡棉的地區之一，在云南關于棉花取籽技術的記載除了用手剝取籽外，還有云南黎族用籮筐和小木棒來取籽，用一根帶有小十字的小木棒插進籽棉堆中，然后用雙手搓動小木棒，使棉籽與棉絮分離，脫落在籮筐的底層，最后取出棉絮。

2 輾軸、曲柄搖桿機構的創新

宋末元初隨著棉花在中國大地的廣泛種植，棉紡織生產的相關技術也得以快速發展，尤其是阻礙棉紡織的取棉籽技術更是得到了質的飛躍，雖然目前無法考證取籽技術具體何時、如何從鐵杖和木棍取籽發展到手搖攪車、從手搖攪車到腳踏攪車的歷史過程，但相關農書的記載說明了軋花技術的歷史進程(見表1)。

宋元時期是我國古代機械的一個高峰時期，機械各部分間的構件已經具有一定的相對運動的位置，能傳遞、轉換運動或實現某些特定運動。王禎《農書》記載的木棉攪車[6](見圖2)的形制就對這一機械運動進行了很好的描述，“昔用輾軸，今用攪車，尤便，夫攪車四木作框，上立工小柱，高約五尺，上以方木管之，立柱各通一軸，軸端俱作掉拐，軸末不透，二人掉軸一人喂上棉英，二軸向軋，則子落于內棉出于外，此用輾軸工利數倍，令特圖譜使民易傚。” 這里所提的“木棉攪車”是無足手搖攪車，其在輾軸取籽法的基礎上，利用搖桿裝置，搖桿的主體部分是兩根粗細不同的轉輥，分別與搖桿連接。操作時，兩人分別轉動兩個搖桿，另一人在兩輥中間喂入籽棉。下輥較粗，轉速較慢，相當于原來的托板，上輥較細，轉速較快，相當于原來的鐵杖(見圖3)[2]，使棉籽和棉纖維分離。雖然這種裝置需要3人同時操作，但卻比手工取籽和鐵杖取籽生產效率提高了很多，突破了軋花技術發展的瓶頸。

表1 元代農書取籽技術的描述

元末明初陶宗儀的《南村輟耕錄》卷24、詩人王逢《梧溪集》卷三的《黃道婆祠并序》、《上海志、祠志》等中也都記載有黃道婆改進黎族所用的“踏車”——軋棉工具的事跡，其中關于軋花技術的描述就是對這種利用搖桿裝置和輾軸原理創造出的新型3人手搖攪車很好的論證。這個時期軋花工具的創新點就是利用了輾軸、曲柄搖桿等力學原理突破了軋花工藝上的技術瓶頸，以左右兩個曲柄為著力點，通過兩個曲柄轉動兩個小柱之間的輾軸，2軸相互輾軋，實現了棉纖維和棉籽的分離。

直到今天我國新疆和云南民間還沿用以前古老的木質軋花機，在云南景洪，傣族使用一種用4根方木條作框的木質軋花機，構成長約60 cm，寬約40 cm的底座(有的軋花機僅用2根方木條制成丁字形底座)，上面有兩根高約50 cm的木柱，作為支架，木柱兩側裝著子母攝絲作軸，一端與曲手柄相連，木柱間裝有2根通過子母攝絲的軸帶動的木棍用作軋棍。軋花時，腳踏木框，一手搖動曲手柄，一手喂入棉花，利用2軋輥相軋，擠出棉籽，棉籽落于架前，棉花則順著軋輥的轉動落于架后[7]。

南疆使用的古老手搖軋車，高45 cm, 寬50 cm，四木之框丁字形底(見圖4)。一人操作，一手搖動手柄，另一手喂入籽棉，棉籽落入承接槽內，凈棉通過轉軸間隙落入另一側，這2種軋花機除了本身設計上的尺寸不同外，其在形制上與《農書》的木棉攪車有所相似，雖然有些學者認為這種軋花機比《農書》記載的攪車先進，只需要一人操作，但這也正是古代軋花技術傳承的實物寫照。

3 明時期(1368—1644年)軋花工藝的不同傳承

到了明代，棉花逐漸取代麻、絲成為人們最重要的衣被材料，同時木質攪車也經歷了從手搖式到腳踏式發展的階段， 生產效率得到更大的提高。

3.1 曲柄連桿機構、足踏裝置

明代科學家徐光啟(公元1562-1633年)所著的《農政全書》提到攪車：“今之攪車，以一人當三人矣。所見句容式，一人可當四人；太倉式，兩人當八人”。徐光啟所介紹的“木棉攪車”在形制上與《農書》所描述的攪車雖然名稱相同，但《農書》的木棉攪車是14世紀流行的型式，即三人式攪車，而《農政全書》中所述的木棉攪車是17世紀的流行型式，與《農書》所述的無足攪車相比，《農政全書》中的裝置(見圖5)[8]使用了卡字輾軸和踏條的裝置，卡字形輾軸代替無足攪車左端的掉拐，利用物理學的慣性原理，卡字形輾軸的轉動力量是由左足踏動踏條通過與軸端相聯的繩索來供給的，左足踏動踏條代替了無足攪車左邊曲柄的勞動者雙手的力量(一種RSSR 空間4桿機構，見圖6)[9]。右手轉動曲柄輾軸，左足踏動卡字形輾軸，左手把棉英添入軸隙之間，這樣就無需另一個人專門喂入棉籽了，四足攪車的構造和裝置就能使一人全部完成軋花操作，而不需要3人同工了，并且其穩定性也比無足攪車強。

宋應星(公元1587-1666年)在《天工開物》中把攪車從名稱上區別開來，改稱趕車(見圖7)[10]，與《農政全書》的原理相同，但其用繩子將輾軸一端的曲柄與踏桿直接相連，相當于曲柄連桿機構，依靠曲柄和飛輪的轉動慣性、通過連桿上下運動，為下一次做功創造條件，實現往復的動力傳遞系統。工作時，一人坐騎車上，左手搖動上面的木壓軸，右腳踏動機械，繞動下面的木壓軸，把右腳向下的踏動間接傳遞到一軸上，使它連續轉動，以軋棉籽，右手則用于喂上原棉[11]。

《天工開物》中趕車的形制與《農政全書》的四足攪車相比，除了名稱不同而外，還有其他不同：(1)《農政全書》中所描述的攪車為右手執曲柄、左腳踏踏板、左手喂籽棉；《天工開物》中描述趕棉車為左手搖動木軸，右手喂籽棉，右腳踏踏板。(2)《農政全書》為四足攪車，而《天工開物》中趕車為三足，有學者認為三足趕車踏繩透過上軸和踏板相連，可以借用慣性原理，而四足攪車是拴在卡字軸的頂端，不能借用慣性原理，到底誰的生產效率更高就很難確定了，就不能確定其各自功效的大小，但可以看到兩者都使用了曲柄連桿機構，功率要比14世紀的攪車大，也許當時就因為曲柄連桿機構在棉紡織業中的應用，使得中國棉紡織業在很長一段時間內遙遙領先于世界其他地區。(3)《農政全書》中的攪車對操作者姿勢沒有做明確的表述；《天工開物》記載的軋花工具是軋棉者橫坐在車前，與攪車成平行的姿勢，用手轉動曲柄，這樣更加符合人體工學原理，能有效減緩操作者的疲勞。目前在我國新疆地區使用的原始軋花機在形制上就與此相近(見圖8)，是對《農政全書》的攪車和《天工開物》中趕車很好的歷史旁證。根據這點可以看出當時攪車的生產效率不僅比以前有很大提高，而且其效率的高低很大程度上取決于使用者的熟練程度和個人的技能。

3.2 鐵軸的使用

《天工開物》和《農政全書》中都沒有關于攪車鐵軸的明確記載，元末明初的詩人李昱《草閣詩集》中有關于鐵軸的記載：“鐵軸橫中竅，檀椎用兩頭，倒看星象轉，亂捲雪花浮。”可知在明代初年，攪車的輾軸開始用鐵制并被廣泛使用，因鐵軸質量沉重，碾軋力強，對提高軋棉效率起著某種決定性的作用。

明時期的《太倉州志》對太倉式軋車有詳細記載：“軋車制高二尺五，三足，上加平木板，厚七八寸，橫尺五，直殺之，板上立二小柱，柱中橫鐵軸一，粗如指，木軸一，徑一寸。鐵軸透右柱，置曲柄，木軸透左柱，置圓木約兩尺，軸端絡以繩，下連一小板，設機車足。用時右手執曲柄，左足踏小板，則圓木作勢，兩軸自軸，左手喂干花軸，一人日可軋百十斤，得凈花三之一，他處輾軸或攪車，惟太倉一人當四人。” 《嘉慶松江府志》中也記載流行于上海一帶的軋車：“以木為之，形如三足幾，坐則高與胸齊，上有兩耳卓立。空耳之中，置木軸，一徑三寸，有柄在車之左，以右手運其機向外，復置鐵軸，一徑半寸，有輪在車之右，以左足運其機向內，皆用木楔籠緊，中留尺許地。取花塞兩軸之隙，而手足胥運，則子自內落，無子之花自外出。”不僅描述了軋車的軸分為木質和鐵質，而且詳細記載了他們各自的尺寸和工作機理。

太倉志和《嘉慶松江府志》中軋車的描述與《農政全書》中攪車的形制相同，利用曲柄連桿，增加踏板裝置，使用了杠桿、飛輪的力學原理，與《農書》和《天工開物》不同的是在《太倉州志》中特別提到“鐵軸透右柱”，《嘉慶松江府志》中不僅提到“復置鐵軸”，而且提到木軸的為“一徑三寸”，鐵軸為：“一徑半寸”，關于輾軸技術改進的描述就更加詳盡，這是軋花工具又一個大的技術創新，木軸改為一根為木質一根為鐵質，增強了軸對棉籽的碾壓力，軋花的效率又一次大大提高。

后來人們在鐵軸上用鋼刀劃上若干小溝，使它的表面粗糙，以便易于抓住棉絨，現代少數民族地區使用的軋車配以齒槽的軋軸裝置就是對這一原理的繼承和論證，也為后來足踏皮棍軋花車再到蒸汽動力齒輪軋花車的不斷改進奠定了良好基礎。

3.3 開始注重軋花工藝與自然氣候的適應性

明開始至后期，隨著軋花工藝的不斷創新和傳承，人們開始關注軋花工藝與加工環境之間的關系。《天工開物》里提出軋花工藝應根據籽棉的形狀而定，不能強求統一。例如南方沿海地區濕度較高，陰雨較多，籽棉含水較高，軋花前應進行烘干，所以可以推斷《天工開物》中趕棉圖畫應該是南方地區的生產場景，而北方地區干旱少雨，籽棉較干，不需要烘干，就不用這道工序了。

4 結語

從手剝取籽、鐵杖碾籽到手搖攪車的發展過程中曲柄搖桿機構的使用突破了軋花技術的發展瓶頸，從手搖攪車到足踏軋花車的技術改進過程中曲柄連桿機構的使用解決了軋花的動力問題，為后來足踏皮棍軋花車到蒸汽動力齒輪軋花車的不斷改進奠定了良好的基礎。隨后，軋花作為棉紡業一道工序，逐漸發展成為獨立行業，和軋花工具的不斷改進和操作要求分不開。

[1] 屠恒賢.黃道婆對江南棉紡織發展的貢獻[D].上海：上海市科技史學會2005年學術年會論文，2005.

[2] 中國古代科技.軋花開棉[OL].北京: 中國數字科技館.http://amuseum.cdstm.cn/AMuseum/ancitech/science/01/s1a_aa04.html.

[3] 劉仙洲.中國古代在農業機械方面的發明[J].農業機械學報，1962,(10):1-48.

[4] 劉先洲.中國古代在簡單機械和彈力、慣力、重力的利用以及用滾動摩擦代替滑動摩擦方面的發明[J].清華大學學報,1960,(12)：1-22.

[5] 陳維稷.中國紡織科學技術史(古代部分)[M].北京：科學出版社，1984.

[6] 王 禎.農書·農器圖譜之十六[M].北京：中華書局，1956.

[7] 史宏達.南宋閩廣地區的棉紡織生產[J].史學月刊，1958,(5)：24-26.

[8] 徐光啟.農政全書(教注)[M].鐘廣言注釋.廣州：廣東人民出版社，1976.

[9] 車林仙.中國古代的三種空間連桿機構[J].瀘州職業技術學院學報，2007,(1)：25-27.

[10]宋應星.天工開物譯注[M]. 上海：上海古籍出版社，2013.

[11]趙承澤.中國科學技術史(紡織卷)[M].北京：科學出版社，2002.

Inheritance and Innovation of Cotton Ginning Tools Before Ming Dynasty

LIU Yun-ying1, ZHANG Yan2, CHENG Long-di1,*

(1.Key Laboratory of Textile Science & Technology, Ministry of Education, College of Textiles,Donghua University, Shanghai 201620, China; 2.Dalian Foreign University, Dalian 116044, China)

Before Ming Dynasty, cotton ginning tools experienced the development process from the hand stripping, rolling handing and pedal. The rocker devices of the rolling and crank forging shaft break through the bottleneck of cotton textiles technology in ancient China. The pedal devices solved the problems of power transmission in the ginning process, and provided the driving force and source of technology for the development of Chinese later cotton textile industry.

cotton seeded; stirring vehicle; cotton gin; cotton textiles technology

2016-05-08

劉蘊瑩(1972-)，女，博士研究生，研究方向為古代紡織工程。

TS113

A

1673-0356(2016)07-0051-05

*通信作者：程隆棣，教授，ldch@dhu.edu.cn。