Kjerrat

Kjerrat/kjerrad/kehrrad/kehrradt/kerrad/kerrat/kehrradtmaskin/kjerrathjul/kehrradthiul/vendehjul (ty. Kehrrad=vendehjul) 

Dobbelt overfallsvannhjul på én aksel med skovlene vendt hver sin vei slik at hjulets dreieretning kunne snus ved å slippe vannet på det ene eller andre hjulet.

K. var drivkraften i en heisemaskin med øvrige hoveddeler linekurv (heisetrommel) for opp- og avspoling av heiselinen, samt bremse- og vannspåslippsinnretning for å styre og kontrollere hjulets gang. Hjuldiameteren lå gjerne på 10-11 m, men kunne også være en del større. Linekurven var påviklet to liner i hver sin retning slik at de kunne vinnes av og på kurven alt etter omdreiningsretningen på k. På denne måten kunne man heise en tønne opp og en ned samtidig.

            Ved drift ble vannet tappet gjennom en bunnluke (skyss) fra en vannbeholder, eller vannhjulsump, over k., og via en kort renne (stikktut), ledet inn på den aktuelle skovleraden. Når en tønne nærmet seg hengbenken for tømming, ble vanntilførselen stengt, k. bremset ned og stoppet. Når tønnen var tømt og skulle sendes ned, ble så vannet sluppet på hjulets motgående skovlerad. Arbeideren som kjørte vannhjulet ble kalt ’anskysser’.

K. kunne bygges nede i gruven, eller i dagen, da plassert i en hjulstue for å beskytte den mot isdannelse.

Første kjente k. i Norge ble bygget ved Kvikne kobberverk i 1710.^[1]

Kjerrathjulet var i det store og hele bygget som et overfallshjul, med de endringer som følger av at to hjul er satt sammen til ett -  tre hjulringer, ett i midten, istedetfor to og et ekstra sett hjularmer og hjelpearmer mot den ekstra hjulringen, altså 12 hjularmer og (vanligvis) 6 hjelpearmer, mot 8, hhv. 4 på et enkelt overfallshjul (kunsthjul). Hjulstokkens lengde kunne gå opp mot 4,5m.

             Virkningsgraden, dvs. hjulets utnyttelse av den samlede potensielle energien som ligger bundet i vannets vekt og dets hastighet ble regnet til 70 % for k. mot 80 % for enkelthjul. Den reduserte virkningsgraden må tilskrives økt friksjon ved den tyngre k. – mer av kraften gikk med til å drive hjulet rundt, mindre kom ut på akselen.^[2]

            K. kunne i mange tilfeller bygges som kompakte heisemaskiner med linekurven direkte på en forlengelse av hjulakselen, som regel på den ene, evt. på begge sider. Det kunne også være aktuelt å la kurven ligge på en separat kurvstokk. Dette alternativet ble bl.a. brukt der en ønsket å utnytte et kunsthjul til k. Slik kombinasjonsdrift forutsatte innmontering av en frikoblingsmekanisme mellom hjulakselen og forlengelsen (se sveivtapp) slik at hjulet kunne fortsette å drive pumpeverket mens kurvstokken (og steinheisingen) ble frakoblet. En annen kombinasjonsmaskin var hakemaskinen.

        Heiselinene løp over valser/ruller i en stilling, kalt drivning, før de via en lineskive ble bøyet ned i sjakten.

Hvis det ikke var mulig å plassere k. ved drivsjakten, kunne linene ledes gjennom terrenget, evt. over rullene i et såkalt rullefelt. Denne løsningen var allikevel bare aktuell ved relativt korte avstander mellom k. og drivsjakt. Ved lengre avstander og/eller sterke terrengfluktuasjoner måtte det bygges stangfelt (rekke av sammenkoblede trestenger) for å overføre kraften fra k. til en linekurv ved sjaktåpningen. (Det kunne også være gunstig å flytte k. vekk fra gruven for å unngå vannlekkasjer inn i gruven). Det var imidlertid først på slutten av 1600-tallet at man løste de tekniske problemer med å overføre fram-og-tilbake-bevegelsen i stangfeltet ’tilbake til’ kjerrathjulets sirkelbevegelse, slik at linekurven dreide. Løsningen var to doble stangfelt som besørget kraftoverføringen mellom hjul og kurv. Avgjørende for funksjonaliteten var krumtappenes stilling. De ble satt inn på hver side av akslene både på hjulet og linekurven i vinkelrett posisjon til hverandre og med parallell posisjon på samme side hjul/kurv. På denne måten oppnådde man at den ene krumtappen alltid hadde størst moment når den andre var i dødpunktet. Dette var optimalt for kraftoverføringen og ga god og jevn drift i hele maskinsystemet. Løsningen krevde imidlertid at stangfeltene ble bygget med stor nøyaktighet, og ble godt vedlikeholdt, slik at de gikk godt uten å komme i spenn.

Parallelt med drift-stangfeltet var det også nødvendig å bygge tre lettere felt, skyssfelt, for anskysserens fjernmanøvrering fra sjaktåpningen av bremsen, hhv. lukene i sumpen over k. når dreieretningen skulle endres.

Verdens første stangkjerrat  som kom i varig drift, ble bygget av den svenske ingeniøren Christopher Polhem i 1697-98.^[3] 

I Norge fikk gjennombruddet for stangkjerrat-teknologien stor betydning ved Kongsberg Sølvverk.  Her var det gunstig å plassere kjerratene langt unna gruvene og innpasse dem i de kompliserte vannsystemer som opprinnelig var utbygd for vannkunstene.^[4] Stangkjerraten skulle bli den viktigste type heisemaskin ved verket fram til (den foreløpige) nedleggelsen i 1805, og var den viktigste maskintekniske innovasjon på Kongsberg på 1700-tallet.^[5]  Det er p.t. ukjent om stangkjerrat har vært tatt i bruk ved andre norske verk.

            Maskineriets bremseanordning ble, som nevnt, aktivert når steintønnen skulle tømmes og dreieretningen snus, men ble også tatt i bruk for å hindre at hjulet begynte å ’ruse’ når vekten av den nedadgående line med tomtønnne ble for stor i forhold til den oppadgående med last.

Bremsen bestod av en eller flere trestokker, ofte formet som sirkelsegmenter, som ble trukket inn på et eget bremsehjul på hjulakselen, alternativt på et oppbygget felt mellom skovlehjulene eller på den ene av hjulkransens hjulringer. 

            Fra Stora Kopparberget i Falun har vi en sammenstilling av data for to k. med flere likhetstrekk, noe som gir et godt utgangspunkt for noen generelle kommentarer vedr. k.s utforming, arbeidsmåte, kapasiteter mm.^[6]

Alle enheter omregnet fra gamle svenske mål.

Likheter: Hjulene har, som det fremgår av tabellen, samme diameter, samme antall skovler, samme avstand mellom skovlene og samme høyde (arbeidshøyde) mellom innløp og utløp. Differansen mellom diameter og arbeidshøyde skyldes at vannet kom inn på hjulet litt under toppunktet og at det (selvfølgelig) ble tømt ut av den enkelte skovl før det nådde hjulets nedre loddlinje. Når det er den samlede vekt av det vann som til enhver tid ligger i skovlekassene som genererer hjulets effekt, skjønner vi at det var mye diskusjon og forsøk (særlig på 1700-tallet) med kassenes form og størrelse (bredde, innbyrdes avstand, skovleplatenes form). Noe av hensikten med disse beregninger og undersøkelser var å redusere differansen mellom diameter og arbeidshøyde, eller sagt med andre ord, finne en utforming av skovlekassene som gjorde at de beholdt så mye som mulig av vannet på veien ned mot hjulets loddlinje - men ikke lenger! Gjenværende vann i kassene etter passering av bunnpunktet ville selvsagt være kontraproduktivt. Se skovl.

Ulikheter: Hjul 1 er 30 % bredere enn det andre. Gitt samme innbyrdes høyde mellom skovlene, som her, rommer derfor kassene i hjul 1 følgelig 30 % mer vann hvilket gjør at dette hjulet leverer betydelig mer kraft enn hjul 2 selv om noe ekstra energi går med grunnet økt friksjon med et større og dermed tyngre hjul.^[8] En direkte konsekvens av de større skovlekasser er større forbruk av driftsvann ved samme omdreiningshastighet. Når det opplyses at forbruket er nærmere 70 % høyere for hjul 1 enn for hjul 2 (og ikke ~30 %, jfr ovenfor), må det bety at hjul 1 roterer hurtigere, dvs. løfter raskere, og dermed er mer produktivt enn det andre. Dette bekreftes når en beregner tid pr omdreining: Hjul 1 bruker 6,6 sek/omdr., mens hjul 2 bruker 9,4 sek/omdr., eller over 40 % mer. Dette gir naturligvis tilsvarende utslag på den viktige produktivitetsindikatoren løftehastighet. Med heising fra 212 m, hhv. 261 m gir dette gir for hjul 1 en hastighet på 0,74 m/sek, for hjul 2 0,5 m/sek. Begge verdier ligger innenfor det som ble regnet som normalt, for hjul 2 dog mot nedre grense.^[9] Ut fra de oppgitte tall må denne forskjellen i effektivitet skyldes kombinasjonen av at et mindre hjul skulle heise en større last - større fordi vekten av heiselinen økte ved økt dybde. (Den større minstediameter på linekurven på hjul 2 virket kanskje i samme retning). Denne kombinasjonen ga altså et mindre produktivt hjul, hvilket man sikkert var klar over.

            Optimal tilpasning var imidlertid sjelden mulig. Det var gjerne slik at man måtte godta den best mulige løsning for den aktuelle oppgaven, alle tekniske, økonomiske og topografiske forhold tatt i betraktning. Vanntilførselen var alltid et viktig moment i vurderingene av plassering og dimensjonering av en k., ja, om man skulle anlegge k. i det hele tatt, vurdert opp mot de vannuavhengige alternativene haspel, hestevandring, og tråhjul. I mange tilfelle ble disse alternativene, særlig hestevandringen, satt inn når vannet sviktet k.. Det var også slik at den overlegne k. ble brukt samtidig med de alternative heisemaskinene ved samme verk – teknikkene avløste ikke hverandre i en lineær utvikling. Kanskje er dette noe typisk ved bergverksdriften – vi gjenfinner i alle fall det samme fenomen når det gjelder forholdet fyrsetting/kruttsprengning.

            K.s effektivitet og produktivitet kunne av forskjellige grunner, bl.a. tilgangen på driftsvann, variere en god del fra gruve til gruve, og over tid - her spilte den samlede virkning av erfaring/bedre teknisk planlegging og den alminnelige tekniske utvikling inn. Som eksempel kan nevnes den økende bruk av jern ved bygging av hjulene. Først kom akselkransene av jern fra begynnelsen av 1800-tallet. Disse ga et stabilt feste og mulighet for parvis montering av hjularmer i eikeformasjon noe som tillot et høyere antall armer og større og kraftigere hjul.^[10] For maskinens produktivitet spilte også en annen 1800-talls innovasjon, stålwire, en vesentlig rolle, fordi linevekten gikk betydelig ned slik at nyttelasten kunne økes.^[11]

Kanskje kan en k., bygget på Kongsberg i 1870, tjene som eksempel på denne utviklingen innen kjerrat-teknikken. Opplysninger fra 1880-årene angir at hjulet heiste fra 342 meter med en hastighet på 1 meter i sekundet.^[12] Dette er 130 hhv. 81 meter dypere enn de svenske 1700-talls hjulene nevnt ovenfor og 33 % raskere enn det raskeste og dobbelt så raskt som det langsomste.

            De største k. kunne løfte fra noe over 400 meters dyp.^[13] Maskinen ble primært satt inn i steinfordringen, men vi finner også bruk av k. til vannheising, bl.a. ved Selbu kobberverk (Lillefjell-gruven)^[14] og Røros kobberverk.^[15]

            Etter at Kvikne fikk landets første k. i 1710 gikk det tregt med innføringen av maskintypen ved andre norske verk utover på 1700-tallet. En av hovedårsakene til dette var trolig at mange verk manglet tilstrekkelig driftsvann til å drive heisemaskiner i tilegg til vannkunstene som skulle besørge den livsviktige vannlensingen.^[16]En annen årsak kunne være at gruvene mange steder ikke var så dype  man trengte k.s ekstra løftekapasitet. Behovet var ganske enkelt ikke påtrengende nok, og da utsatte man å bygge og ta i bruk kostbare k., særlig hvis det måtte anlegges stangkjerrat.^[17]. 

Kongsberg fikk k. i 1727, Løkken rundt 1745, Folldal trolig rundt 1750 og Røros i 1765. Videre hadde Selbuverket ifølge en Overbergamts-rapport k. i 1802. I tillegg er det opplysninger om k. ved en privat blygruve på Eiker ved midten av århundret, og også ved det lille Eidsvold gullverk var det en liten k. Blant jerngruvene ser det ut til at det bare er Åserud/Nikkerudgruven på Konnerud ved Drammen som ser ut til noensinne å ha hatt k..^[18]

            Første kjente belegg for k. fins fra Ungarn i 1439. K. ble opprinnelig bygget for å løse bergbrytingens mest påtrengende problem, lensingen, men ble for dette formål etter hvert utkonkurrert av vannkunsten, og fra slutten av 1500-tallet ble k. nesten bare brukt til steinheising i gruvene.^[19] Den eldste kjente tegning av en k. finnes i Agricolas store verk om bergverksdriften, De re metallica, fra 1556.

            For andre oppslag på vannkraftbasert driftsmaskineri se vannhjul, overfallshjul, brystfallshjul, underfallshjul, stangkjerrat, vannkunst, Poncelets hjul,  Fourneyrons turbin, turbin og vannsøylemaskin.

Varia:

- Fra Kongsberg Sølvverk kjennes et meget originalt kretsløpssystem. Verkets første k. (1727) ble nemlig plassert 160 m nede i gruven uten avløp for vannet! Løsningen var å pumpe vannet fra en avløpssump (oppsamlingsbeholder) under k. til en tilløpssump over. Motoren for pumpene var et kunsthjul som sto oppe i dagen. På denne måten ble kunsthjulet  k.s egentlige motor. Sølvverkets første k. var altså et helt teknisk system.^[20]

- For Sølvverket var vannforsyningen lenge en flaskehals i maskinvesenet. Det gjaldt nok flere verk, særlig på Østlandet. Bjørn Ivar Berg skriver om dette: “Et særlig problem var det østnorske innlandsklima med sterke årstidsvekslinger. Det største problem var den lange og harde vinterfrosten. En god del magasinert vann frøs bort som is, nedbøren kom i form av snø og fordelingen av vannet gjennom rennene ble vanskeliggjort. Senvinteren før vårsmeltingen startet for alvor, var som regel årets vannfattigste tid, da mange vannhjul måtte stanse. Men også sensommeren kunne være vanskelig, hvis det hadde vært langvarig varme og tørke.” (Berg op.cit.178).

- I Sverige var man tidlig ute med bruk av k., og maskintypen synes å ha fått større gjennomslag her enn i noe annet europeisk land. Den første k., her kalt ‘linspel’, ble bygd i Falun tidlig i 1590-årene.^[21] Fra Sala sølvverk (1510 –1908) berettes følgende om kjerratdriften:^[22]

- Den første k. ble tatt i bruk i 1646. Maskinen viste seg så effektiv at to hestevandringer kunne tas ut av drift, men i august samme år gjorde vannmangel at den stanset slik at hestevandringene igjen måtte settes inn. Det samme skjedde om vinteren da vannet frøs. K. ble brukt både til vann- og steinheising. En beskrivelse av maskinen fra 1662 konkluderer med at ”[Det] var en artig in­vention, ty med vattnets tillhjälp skontes mången människas arbete och andre kreaturs”.

- Man forsøkte å heise både med k. og hestvandring samtidig i samme sjakt. Det var mindre vellykket da heiselinene viklet seg i hverandre slik at man brukte en fjerdel av tiden til å løse opp flokene. Det viste seg mer effektivt å heller la k. gå natt og dag. Da klarte man å heise opp 240-246 tønner i døgnet, eller ca 10 tønner i timen.

- K. ved verket ble brukt til utstrakt persontransport. En rapportør melder således i 1754 at det var to muligheter for å komme seg ned i gruven. Den ene krevde klatring på stiger og kryping gjennom trange gruveganger og åpninger. “Den senaste tillät åkning i spelets tunnor rakt ned.”

Det opplyses at en malmtønne rommet fem til seks personer som satt på kanten og holdt seg fast i kjettingene som var festet til tønnen. Både under ned- og oppfarten ble det sunget salmer. Dette opplevdes nok hver gang som en skremmende og farefull ferd, ofte i stummende mørke.

- Den svenske ingeniør Christopher Polhem som bygde den først varige stangkjerrat, var et mekanisk geni som bidro med flere originale løsninger. En av hans spesialiteter var forbedringer av stangfeltteknikken for å redusere friksjon og krafttap. Den første stangkjerraten ble bygget i Falun (Stora Kopparberget) da Polhelm var ansatt der som kunstmester (ansvarlig for pumpemaskineriet). Midt på 1720-tallet ble det imidlertid bestemt å gå tilbake til de gamle k., uten stangfelt. Stangkjerratene ble kritisert for friksjon, og uregelmessig gange.

”Men om Polhems stangkjerrater ble kortlivede i Sverige, fikk de større betyd­ning i utlandet, først og fremst på Harz og Kongsberg […]. Bakgrunnen for innføringen av stangkjerrat til Kongsberg må vi til Harz for å finne. Innovasjonen gikk nemlig ikke rett over grensen mellom Sverige og Norge, men tok først en omvei om Tyskland! Det sier en del om kommunikasjonen i den europeiske bergmannsverden”.^[23]

Se også artikkelen Christopher Polhem.

- Flere av de direktevirkende (dvs. med kurven på akselen) k. som ble bygget på Kongsberg mot slutten av 1700-tallet var kombinert med vannkunster, dvs. de  drev pumper via et stangfelt fra en krumtapp på hjulakselen, hvor også heiselinen ble vunnet opp. Kombinasjonen var imidlertid ikke alltid vellykket.^[24]

- Fra Kongsberg Sølvverk berettes at det eneste vannhjul som står igjen i Kongsberg-gruvene er en k. bygd i 1844. Hjulet står i Kongens gruve.

Det siste store vannhjul som ble bygget ved verket var k. til Sachsen gruve, i drift fra 1870 til 1900.^[25]

- Sølvverksdirektør Karl Friedrich Bøbert (tiltrådt 1840) som hadde et konservativt maskinteknisk syn, hevdet at ”Kehrraderne formodentlig altid [vil] hævde sin erkjendte Brugbarhed og Tætte Anvænde­lighed” – k. var altså den evige heisemaskin. Andre typer heisemaskiner mente Bøbert ikke var aktuelle. Turbiner og vannsøylemaskin­er hadde ikke ”vundet synderlig Yndest” i gruvene og dampmaskiner ble na­turligvis bare brukt i største nødstilfelle.^[26]

- Tidlig på 1900-tallet kom det ved Kongsberg Sølvverk elektriske heiser med effekter på opptil 160 HK, eller 30-40 ganger mer enn det k. noensinne klarte å levere.