工業機器人潤滑失效周期與工況關系研究

曹 斌

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

工業機器人（下面簡稱機器人）是在工業生產制造中使用的機器人的總稱，它是一種多關節機械手或多自由度的機器設備，擁有一定的自動智能性，可用來取代人工完成繁重、重復、有害、精度要求高等各方面的工作。機器人的高質量發展是一個國家科技創新與高端制造水平的體現，也是實現工業4.0 的必由之路。機器人的制造和裝機數量日益增加，機器人在現代化工廠建設中成為了最重要組成部分。其中機器人的減速機是機械部分最為重要的一部分，減速機的潤滑是關著機器人正常運作的前提保證，是機器人核心運動機械部件壽命長久的關鍵指標，因此減速機的潤滑管理工作就顯得尤為突出和重要。

大量的機器人維護報告與監測數據顯示，企業機器人現場管理缺乏系統的潤滑管理，部分企業機器人使用4～5 年，由于疏于管理，減速機核心部件已經過度磨損，忽視潤滑管理，認為潤滑管理僅僅就是換油脂或加注油脂。國內外大量的設備故障統計顯示，80%的機械設備部件失效、異常或故障來自磨損，僅此單項導致的經濟損失就占工業化國家GDP 的5%～7%，有關數據統計50%的機械設備惡性事故源于潤滑管理不當。目前我國的制造業還處于工業4.0 的初級階段，只關注到一些表象問題，例如機器人減速機系統的磨損、零部件失效、性能衰退等問題，但這只是問題的冰山一角，更多的如機器人設備潤滑管理制度、精益管理、潤滑新技術、清潔生產、污染控制、能源利用、環境保護等隱性問題還需要引起企業關注。下面將研究機器人如何找到科學的換油周期，通過實驗對比分析出不同工況下機器人的最佳換油周期，在保證機器人基本運行條件下，最大程度地降低企業中機器人的運行成本和延長機器人使用壽命。

1 機器人潤滑現狀

在生產企業中，機器人的潤滑保養大多數都是按機器人廠家給的潤滑周期進行保養換油的，機器人廠家給的換油周期一般都會比較保守，有時會存在一些浪費的“過潤滑”現象，隨著資源節約型社會的呼聲日益強烈，設備的“過潤滑”現象已引起廣泛關注。機器人減速機是工業機器人高精度機械部件，它的穩定運行是機器人運行的基本條件，高精密特性也使其成本約占機器人整體成本的1/3，如某外資品牌的點焊機器人，四軸減速機加手腕單元更換費用就近16 萬元人民幣，維修更換成本巨大，需要專門的吊具與安裝工具才能完成更換工作，還需重新示教調試工藝程序，換減速機工作既耗時耗力，又影響企業正常生產。機器人的減速機主要有RV 減速機和諧波減速機，無論是RV 減速機還是諧波減速機，其運行的基本條件都需要對其進行良好的潤滑。

目前，許多制造企業維保人員素質參差不齊，缺乏機器人相關維護保養培訓，設備重使用輕維護管理，機器人設備潤滑維護周期過長，或存在過度保養潤滑浪費企業生產成本，缺乏機器人潤滑系統性知識，維護不當造成設備可靠性下降而導致產線故障頻發，機器人的維修費用高、設備能耗高、關鍵部件壽命縮短等問題。

2 工況分析

研究分析機器人潤滑失效周期與不同工況之間的關系，需要通過收集不同影響工況因素下潤滑油的使用性能數據，分析出一個在不同環境下機器人全生命周期中的最佳潤滑周期，通過使用不同潤滑周期來降低機器人設備的潤滑成本，提升機器人設備的機械穩定性能，為企業尋找到一條最經濟最效率的機器人潤滑管理之路。

機器人工況各有不同，有不同的運行溫度、現場環境、工作時間和設備壽命等。運行溫度過高加快潤滑油的氧化失效，溫度過低影響潤滑油的流動性；現場環境分為：潮濕、電焊、粉塵和酸堿液等不同環境影響；工作時間是表示不同的運行負荷時間，分為8 h、12 h、24 h、單休和雙休等不同的設備負荷時間。設備壽命根據設備全生命周期管理中又分為3 個階段：設備初期安裝調試及磨合階段、最大性能運行階段、設備劣化磨損加劇階段。圖1 所示為設備與潤滑之間的關系圖。

圖1 設備潤滑關系圖

3 潤滑油失效分析

3.1 失效形式及因素

潤滑油失效主要原因是機械失效，潤滑油的機械失效引起的原因很多，諸如設計計算、制造加工、選用材料、材料熱處理、潤滑方式和介質的選擇等先天性問題，以及使用、維護、保養中的不當等，但潤滑的失效是機械失效的主要原因。

潤滑油的失效有下列主要方面[1]:

（1）油膜破裂。影響油膜破裂的因素有：設計、結構、間隙、表面粗糙度、溫度、壓力。

（2）供油不足。影響供油不足的因素有：油泵、油路、油孔、間隙變化。

（3）潤滑油劣化。影響潤滑油劣化的因素有：變質、添加劑損耗、密封、氧化、油混合。

（4）油品污染。影響油品污染的因素有：磨損、密封失效、環境污染。

潤滑油的劣質化和油品污染是機械失效的主要原因，其實油品污染是潤滑油的劣質化的首要原因，污染嚴重不但不能發揮其優越性能，還會造成巨大的浪費。潤滑油清潔度的控制是保證潤滑油長效節能的基本條件。

3.2 失效檢測指標分析

潤滑油失效檢測參考指標主要有3 點：

（1）運動粘度。高溫環境會加速機器人減速機內部的潤滑油氧化，使得潤滑油黏度增大，變得黏稠。溫度每增加10 ℃，潤滑油的氧化速度會增加1.5～2 倍，使用壽命大大縮短。

（2）水分。齒輪油中水分的危害有很多，潤滑油在使用過程中遇到的最主要污染物就是水。因為潤滑油自身具有一定的吸水性，在潤滑油所處的環境和工況下進水的情況又難以避免，因此在潤滑油進水后會發生物理或化學變化，從而影響潤滑效果。由此可看出在設備潤滑管理中，如何減少或控制水分的進入，及如何檢查判定潤滑油中水分的含量，是最為重要的兩個工作。在潤滑油中水分含量過大后會有以下8 個方面影響[2]：

①油品添加劑失效：水進入潤滑油后會和油品添加劑發生反應，使其水解或加速其損耗而失去作用，尤其是抗氧劑、極壓抗磨劑、清凈劑、抗乳劑、防銹劑等功能劑，并會產生不溶物堵塞濾網或加速磨損。

②油膜強度降低：當水進入潤滑油后減弱了潤滑油的黏壓特性，使得摩擦副疲勞磨損。

③銹蝕和腐蝕：水會直接和金屬表面發生化學反應形成氧化物，還會和酸性化合物共同作用使金屬表面加速腐蝕磨損。

④油品起泡：水進入潤滑油后導致油品的表面張力降低，使潤滑油夾帶空氣而起泡，導致油品加速氧化，降低油品的傳熱性能、油膜強度、流動性等性能。

⑤潤滑油霉變：水是細菌和真菌等微生物生長的促進劑，使潤滑油產生的微生物并懸浮于油品中，微生物會產生異味或堵塞濾網。

⑥水蒸汽氣蝕：水蒸汽的氣泡進入高壓區時會瞬間產生聚爆，類似于微柴油化，撞擊摩擦副使其表面產生氣蝕。

⑦氫脆：氫脆是摩擦學界研究的熱門領域，氫的來源有可能就是水,在高壓狀態下，水會裂解產生氫，氫脆作用會加速微觀裂隙的進一步開裂而導致最終的磨損。

⑧水洗作用:水污染會使潤滑脂變軟流失，造成缺脂或系統密封性下降。

（3）機械雜質。對于機器人減速機，在正常無漏油的情況下，機械雜質的主要來源于內部軸承齒輪本身的磨損，在前期磨合中，機械雜質會比較多。機械雜質過多的影響主要有：會破壞油膜，增加齒輪軸承的摩擦力，加速磨損；會加速減速機內部軸承磨損，并使軸承水封、油封的損壞，引起系統大量漏油和進水，加速油液的劣化。

4 周期核算

以某公司的ABB 機器人的潤滑油檢測數據為例，通過采集三種不同工況下的ABB 機器人負荷較大的J3 軸減速機油品的檢測數據，分析出不同工況下對機器人換油周期的影響程度，通過經驗數據比對設備廠家給的換油周期折算出最安全、最經濟的換油周期。選取的ABB 機器人的工況情況列表，見表1。

表1 機器人工況列表

檢測時間點定在超過廠家推薦換油周期開始計算，每累計使用2000 h 檢測一次，直至潤滑油檢測結果超出標準要求值，通過實際應用檢測出來標準要求下的臨界值。因檢測報告數據項目較多，下面分析數據中只選取其中通過前文分析出的黏度、水分和機械雜質3 個影響因素進行檢測，記錄3 個關鍵要素的數據來做重點收集分析。

通過分析收集到的數據，得出的結論為：3 種工況下的機器人在超過設備廠家給的換油周期后的油品質量有很大的差異。清洗機機器人受到高溫、潮濕和堿性清洗劑的影響，油品檢查結果在廠家給的換油周期到期后就有三項檢測結果已經嚴重超標，換出的油品質量很差，雜質較多，顏色變黑，并有霉腐的異味，生產時示教器上觀察負載數字已接近過載報警的臨界線。裝配機器人在空調恒溫干燥車間環境下，油品在超過廠家換油周期的第4 個檢測周期才出現了機械雜質超標的情況，超過廠家換油周期使用8000 h，油品質量才出現稍微超標情況，但是機器人機械部件運轉情況正常，負載變化不大。澆注機器人在高溫干燥的環境下，油品到了第2 個檢測周期開始出現機械雜質些許超標，因此繼續使用了一個周期，檢測嚴重超標后才進行換油。具體檢測結果數據見表2。

表2 檢測結果數據表

通過對比抽檢的3 種不同工況環境下的機器人的J3 軸減速機的油品劣化情況可知：在恒溫干燥的空調環境下，機器人的減速機油品可以在廠家給的換油周期上，可延長40%換油周期；在高溫潮濕的清洗機內的機器人，減速機內的油品在達到廠家的換油周期時，油品質量已嚴重超差，并導致負載變大的情況，在第4 個檢測周期，機械雜質已接近標準的臨界點，因此實際的安全換油周期應該在廠家標準換油周期上縮短一半；在高溫干燥的澆注環境下，在第2 個檢測周期是出現超標，因此實際換油周期最多可以延長20%的時間。因此，可在滿足機器人運行性能對潤滑的要求下，延長工況環境較好的機器人換油周期，從而可以大大地降低機器人的運行成本，減少潤滑油品的采購成本和更換油品的人工工時成本。

以ABB6700 機器人為例，單臺單次的換油成本大約為：人工工時費用500 元，潤滑油費用日本協同TMO 150 齒輪油13.2L × 2 約8000 元，美孚600XP 320 齒輪油17L × 2 約1600 元，一共約為10100 元。

5 結語

在滿足機器人運行性能對潤滑的要求下，延長工況環境較好的機器人換油周期，可以大大地降低機器人的運行成本，也可以減少潤滑油品的采購成本和更換油品的人工工時成本，降低企業的生產運行成本。對于環境嚴苛工況下的機器人應該縮短其換油周期，以保證機器人的正常運行條件，避免機器人因潤滑油品的劣化而造成減速機的提前磨損，提高關鍵機械部件的壽命，降低更換配件或異常停機的成本。通過研究在不同工況下的機器人潤滑周期，可得到更加科學的潤滑管理，利于企業的降本增效，有助于我國工業制造業的高質量發展。