一种工业机器人用高性能润滑脂的开发与应用研究*

李建明 仇建伟 刘长斌 杨松林 张新瑞 王晓月,4

(1.中国石油兰州润滑油研究开发中心 甘肃兰州 730060；2.新松机器人自动化股份有限公司 辽宁沈阳 110000；3.中国科学院兰州化学物理研究所，中国科学院材料磨损与防护重点实验室 甘肃兰州 730000；4.中国科学院大学材料与光电研究中心 北京 100049)

近年来，随着劳动力成本的上升以及劳动力供给的下降，我国对工业机器人的需求飞速增长。作为全球第一大工业机器人市场，我国高性能的机器人核心设备即减速器的专用油脂却长期依赖进口，国外油脂高额的利润空间所带来的沉重成本压力，使国内汽车、电子等行业对机器人油脂的国产化需求非常迫切，机器人配套油脂的研发也成为近年来关注的热点[1-2]。

润滑脂主要由基础油、稠化剂、添加剂3部分组成[3]。根据摆线针轮(RV)减速器的运行特点与摩擦副工况，制备出具有优良性能的基础脂产品，再配以添加剂，最终研制出高性能润滑脂，研究结果为新型高性能特种润滑脂的设计制备提供理论指导和技术支持。

1 摆线针轮(RV)润滑脂的制备

1.1 基础油的配制

合成烃基础油具有黏度指数高、倾点低、闪点高、氧化安定性好、蒸发损失小等特点[4]，因此文中选择合成烃基础油作为主要基础油。同时由于合成烃基础油和稠化剂的相容性比较差，还须选择部分环烷基基础油，以改善基础油与皂的相容性。因此最终选择合成烃基础油、环烷基基础油和光亮油3种基础油进行调配。另外为了提高产品在齿轮表面的附着力，增加部分增黏剂来保证产品的附着力和基础油的黏度指数。调配的基础油基本理化性质如表1所示。

表1 基础油的理化数据

1.2 稠化剂

通过对减速器运行工况的分析，稠化剂选择以十二羟基硬脂酸锂皂为主稠化剂，并以稠化优质基础油为基础脂进行开发。

1.3 添加剂的筛选

脂类润滑剂对添加剂的选择性非常强，其稠化剂都具有非常强的极性，由于大多数极压抗磨添加剂都具有一定的极性，选择不当，会影响脂类润滑剂的胶体安定性和机械安定性，从而影响润滑脂的使用寿命。润滑油中极性添加剂通过竞争吸附于金属表面从而起润滑作用，但这种润滑机制，在润滑脂润滑中不再完全适用。因此，添加剂的选择存在一定难度[5-6]。下面分别探讨各添加剂的选择。

1.3.1 抗氧剂的选择

基础油的氧化属于烃自由基氧化机制，分链引发、链生长、链传递和链终止4个阶段。润滑脂抗氧化性能不好，会导致油泥、酸值和黏度大幅增加，影响润滑脂使用寿命。为此文中选择一种硫酯型氢过氧化物分解型抗氧剂、一种酚型和一种胺型自由基捕获型抗氧剂复配协同[7-8]。采用旋转氧弹(RBOT)试验检测复配后油品的抗氧化性能，试验温度为150 ℃。试验结果如表2所示。结果表明，氢过氧化物分解型抗氧剂(硫酯型)与自由基捕获型(胺型、酚型)抗氧剂复合产生明显的抗氧化协同效应，旋转氧弹值明显提高。

表2 抗氧剂的复配协同抗氧化效果

1.3.2 固体填料

为了提升润滑脂的减摩和极压性能，增强油膜强度，通常采用添加填料的形式，一般填料均为惰性化合物，而且具有很高的极压抗磨损性能[9-13]。在制备的空白锂基脂中分别加入相同剂量的WS2、石墨、MoS2、MoDTC、CaCO3等减摩抗磨添加剂，进行SRV变温法(柱盘)减摩测试，结果见图1。极压性能测试结果见表3。结合图1和表3可以看出，MoDTC既具有较低的摩擦因数，还具有较好的极压抗磨性能，因此选择其作为主要摩擦磨损添加剂。选择以上添加剂进行复配，再借鉴文献[14-15]长寿命齿轮油产品开发的成功经验和成熟应用案例，再配以一定量的防锈添加剂和铜腐蚀抑制剂，筛选出了配方3和配方4。按照国外对齿轮润滑脂的测试方法，建立了齿轮摩擦磨损台架，对不同配方的产品进行了评价。试验结果见表4，摩擦副的磨损情况见图2。

表3 不同固体填料对润滑脂极压性能的影响

表4 齿轮磨损试验结果对比

从表4中齿轮磨损模拟性能评价结果来看，配方3和配方4通过了12级极压抗磨性能的测试，均具有优良的抑制摩擦副发生磨损的性能，表现结果为齿轮的总质量损失很小。但从试验后摩擦副的SEM图来看(见图2)，配方3润滑下齿面有不同程度的划痕和擦伤，而配方4润滑下齿面光亮如新，因此选择配方4作为试验产品的配方。

1.4 润滑脂基本性能

确定了基础油、制备工艺和添加剂配方后，制备了一种应用在摆线针轮减速器的润滑脂产品，制备的产品基本理化性能见表5。

表5 摆线针轮减速器润滑脂主要数据

1.5 摆线针轮减速器润滑脂理化性能评价

采用SRV恒温法测试润滑脂的摩擦因数，如图4所示。结果表明，该润滑脂具有优良的抑制摩擦副发生磨损的性能和摩擦因数保持能力，能够较好地形成边界润滑膜，从而起到优良的抗磨减摩效果。按照国外对齿轮润滑脂的测试方法，建立了齿轮摩擦磨损台架，对摆线针轮(RV)减速器脂进行抗磨损性能测试，齿轮承载级别高于12级，齿轮总质量损失为14 mg，磨痕深度为1.02 μm。表明具有延长减速器使用寿命和优良的摩擦磨损性能。

1.6 应用测试

为了验证开发的产品在机器人运转过程中的润滑可靠性，选择在沈阳新松机器人自动化有限公司的SR210D型2 100 N机器人上进行测试，如图5所示。按照《JSWJ-CSGF-16001-V1.0_工业机器人减速器润滑脂产品测试规范》，2台机器人均在负荷2 100 N、满行程、室温((23±2)℃)、24 h不间断运行的极端运行条件下，进行了为期8 000 h的性能测试。试验结果表明,该润滑脂具有非常优良的性能，主要表现在：(1)具有优良的机械安定性和稠度保持能力，试验前后稠度无明显变化；(2)产品外观呈现亮黄色，能够很好地进行新旧脂的区分；(3)具有优良的控制减速器温升性能，整个测试过程中，减速器、伺服电机和齿轮箱运行温度正常；(4)在整个测试过程中，机器人运行平稳，无定位不准确情况。

2 结论

(1)以合成烃和精制矿物油为基础油，以锂皂为稠化剂，并加入多种功能添加剂研制的摆线针轮(RV)减速器润滑脂，理化指标优良。

(2)选择2台SR210D型2 100 N工业机器人，在负荷2 100 N、满行程、室温((23±2)℃)、24 h不间断运行的极端运行条件下，对摆线针轮(RV)减速器润滑脂进行了为期8 000 h的性能测试。结果表明，该脂对减速器的润滑保护性能优良，完全满足机器人使用要求。