一種工業機器人用高性能潤滑脂的開發與應用研究*

李建明 仇建偉 劉長斌 楊松林 張新瑞 王曉月,4

(1.中國石油蘭州潤滑油研究開發中心 甘肅蘭州 730060；2.新松機器人自動化股份有限公司 遼寧沈陽 110000；3.中國科學院蘭州化學物理研究所，中國科學院材料磨損與防護重點實驗室 甘肅蘭州 730000；4.中國科學院大學材料與光電研究中心 北京 100049)

近年來，隨著勞動力成本的上升以及勞動力供給的下降，我國對工業機器人的需求飛速增長。作為全球第一大工業機器人市場，我國高性能的機器人核心設備即減速器的專用油脂卻長期依賴進口，國外油脂高額的利潤空間所帶來的沉重成本壓力，使國內汽車、電子等行業對機器人油脂的國產化需求非常迫切，機器人配套油脂的研發也成為近年來關注的熱點[1-2]。

潤滑脂主要由基礎油、稠化劑、添加劑3部分組成[3]。根據擺線針輪(RV)減速器的運行特點與摩擦副工況，制備出具有優良性能的基礎脂產品，再配以添加劑，最終研制出高性能潤滑脂，研究結果為新型高性能特種潤滑脂的設計制備提供理論指導和技術支持。

1 擺線針輪(RV)潤滑脂的制備

1.1 基礎油的配制

合成烴基礎油具有黏度指數高、傾點低、閃點高、氧化安定性好、蒸發損失小等特點[4]，因此文中選擇合成烴基礎油作為主要基礎油。同時由于合成烴基礎油和稠化劑的相容性比較差，還須選擇部分環烷基基礎油，以改善基礎油與皂的相容性。因此最終選擇合成烴基礎油、環烷基基礎油和光亮油3種基礎油進行調配。另外為了提高產品在齒輪表面的附著力，增加部分增黏劑來保證產品的附著力和基礎油的黏度指數。調配的基礎油基本理化性質如表1所示。

表1 基礎油的理化數據

1.2 稠化劑

通過對減速器運行工況的分析，稠化劑選擇以十二羥基硬脂酸鋰皂為主稠化劑，并以稠化優質基礎油為基礎脂進行開發。

1.3 添加劑的篩選

脂類潤滑劑對添加劑的選擇性非常強，其稠化劑都具有非常強的極性，由于大多數極壓抗磨添加劑都具有一定的極性，選擇不當，會影響脂類潤滑劑的膠體安定性和機械安定性，從而影響潤滑脂的使用壽命。潤滑油中極性添加劑通過競爭吸附于金屬表面從而起潤滑作用，但這種潤滑機制，在潤滑脂潤滑中不再完全適用。因此，添加劑的選擇存在一定難度[5-6]。下面分別探討各添加劑的選擇。

1.3.1 抗氧劑的選擇

基礎油的氧化屬于烴自由基氧化機制，分鏈引發、鏈生長、鏈傳遞和鏈終止4個階段。潤滑脂抗氧化性能不好，會導致油泥、酸值和黏度大幅增加，影響潤滑脂使用壽命。為此文中選擇一種硫酯型氫過氧化物分解型抗氧劑、一種酚型和一種胺型自由基捕獲型抗氧劑復配協同[7-8]。采用旋轉氧彈(RBOT)試驗檢測復配后油品的抗氧化性能，試驗溫度為150 ℃。試驗結果如表2所示。結果表明，氫過氧化物分解型抗氧劑(硫酯型)與自由基捕獲型(胺型、酚型)抗氧劑復合產生明顯的抗氧化協同效應，旋轉氧彈值明顯提高。

表2 抗氧劑的復配協同抗氧化效果

1.3.2 固體填料

為了提升潤滑脂的減摩和極壓性能，增強油膜強度，通常采用添加填料的形式，一般填料均為惰性化合物，而且具有很高的極壓抗磨損性能[9-13]。在制備的空白鋰基脂中分別加入相同劑量的WS2、石墨、MoS2、MoDTC、CaCO3等減摩抗磨添加劑，進行SRV變溫法(柱盤)減摩測試，結果見圖1。極壓性能測試結果見表3。結合圖1和表3可以看出，MoDTC既具有較低的摩擦因數，還具有較好的極壓抗磨性能，因此選擇其作為主要摩擦磨損添加劑。選擇以上添加劑進行復配，再借鑒文獻[14-15]長壽命齒輪油產品開發的成功經驗和成熟應用案例，再配以一定量的防銹添加劑和銅腐蝕抑制劑，篩選出了配方3和配方4。按照國外對齒輪潤滑脂的測試方法，建立了齒輪摩擦磨損臺架，對不同配方的產品進行了評價。試驗結果見表4，摩擦副的磨損情況見圖2。

表3 不同固體填料對潤滑脂極壓性能的影響

表4 齒輪磨損試驗結果對比

從表4中齒輪磨損模擬性能評價結果來看，配方3和配方4通過了12級極壓抗磨性能的測試，均具有優良的抑制摩擦副發生磨損的性能，表現結果為齒輪的總質量損失很小。但從試驗后摩擦副的SEM圖來看(見圖2)，配方3潤滑下齒面有不同程度的劃痕和擦傷，而配方4潤滑下齒面光亮如新，因此選擇配方4作為試驗產品的配方。

1.4 潤滑脂基本性能

確定了基礎油、制備工藝和添加劑配方后，制備了一種應用在擺線針輪減速器的潤滑脂產品，制備的產品基本理化性能見表5。

表5 擺線針輪減速器潤滑脂主要數據

1.5 擺線針輪減速器潤滑脂理化性能評價

采用SRV恒溫法測試潤滑脂的摩擦因數，如圖4所示。結果表明，該潤滑脂具有優良的抑制摩擦副發生磨損的性能和摩擦因數保持能力，能夠較好地形成邊界潤滑膜，從而起到優良的抗磨減摩效果。按照國外對齒輪潤滑脂的測試方法，建立了齒輪摩擦磨損臺架，對擺線針輪(RV)減速器脂進行抗磨損性能測試，齒輪承載級別高于12級，齒輪總質量損失為14 mg，磨痕深度為1.02 μm。表明具有延長減速器使用壽命和優良的摩擦磨損性能。

1.6 應用測試

為了驗證開發的產品在機器人運轉過程中的潤滑可靠性，選擇在沈陽新松機器人自動化有限公司的SR210D型2 100 N機器人上進行測試，如圖5所示。按照《JSWJ-CSGF-16001-V1.0_工業機器人減速器潤滑脂產品測試規范》，2臺機器人均在負荷2 100 N、滿行程、室溫((23±2)℃)、24 h不間斷運行的極端運行條件下，進行了為期8 000 h的性能測試。試驗結果表明,該潤滑脂具有非常優良的性能，主要表現在：(1)具有優良的機械安定性和稠度保持能力，試驗前后稠度無明顯變化；(2)產品外觀呈現亮黃色，能夠很好地進行新舊脂的區分；(3)具有優良的控制減速器溫升性能，整個測試過程中，減速器、伺服電機和齒輪箱運行溫度正常；(4)在整個測試過程中，機器人運行平穩，無定位不準確情況。

2 結論

(1)以合成烴和精制礦物油為基礎油，以鋰皂為稠化劑，并加入多種功能添加劑研制的擺線針輪(RV)減速器潤滑脂，理化指標優良。

(2)選擇2臺SR210D型2 100 N工業機器人，在負荷2 100 N、滿行程、室溫((23±2)℃)、24 h不間斷運行的極端運行條件下，對擺線針輪(RV)減速器潤滑脂進行了為期8 000 h的性能測試。結果表明，該脂對減速器的潤滑保護性能優良，完全滿足機器人使用要求。