一種工業(yè)機(jī)器人用高性能潤滑脂的開發(fā)與應(yīng)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(fā)中心 甘肅蘭州 730060；2.新松機(jī)器人自動(dòng)化股份有限公司 遼寧沈陽 110000；3.中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所，中國科學(xué)院材料磨損與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅蘭州 730000；4.中國科學(xué)院大學(xué)材料與光電研究中心 北京 100049)

近年來，隨著勞動(dòng)力成本的上升以及勞動(dòng)力供給的下降，我國對(duì)工業(yè)機(jī)器人的需求飛速增長。作為全球第一大工業(yè)機(jī)器人市場，我國高性能的機(jī)器人核心設(shè)備即減速器的專用油脂卻長期依賴進(jìn)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(nèi)汽車、電子等行業(yè)對(duì)機(jī)器人油脂的國產(chǎn)化需求非常迫切，機(jī)器人配套油脂的研發(fā)也成為近年來關(guān)注的熱點(diǎn)[1-2]。

潤滑脂主要由基礎(chǔ)油、稠化劑、添加劑3部分組成[3]。根據(jù)擺線針輪(RV)減速器的運(yùn)行特點(diǎn)與摩擦副工況，制備出具有優(yōu)良性能的基礎(chǔ)脂產(chǎn)品，再配以添加劑，最終研制出高性能潤滑脂，研究結(jié)果為新型高性能特種潤滑脂的設(shè)計(jì)制備提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。

1 擺線針輪(RV)潤滑脂的制備

1.1 基礎(chǔ)油的配制

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

表1 基礎(chǔ)油的理化數(shù)據(jù)

1.2 稠化劑

通過對(duì)減速器運(yùn)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(yōu)質(zhì)基礎(chǔ)油為基礎(chǔ)脂進(jìn)行開發(fā)。

1.3 添加劑的篩選

脂類潤滑劑對(duì)添加劑的選擇性非常強(qiáng)，其稠化劑都具有非常強(qiáng)的極性，由于大多數(shù)極壓抗磨添加劑都具有一定的極性，選擇不當(dāng)，會(huì)影響脂類潤滑劑的膠體安定性和機(jī)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(jī)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(chǔ)油的氧化屬于烴自由基氧化機(jī)制，分鏈引發(fā)、鏈生長、鏈傳遞和鏈終止4個(gè)階段。潤滑脂抗氧化性能不好，會(huì)導(dǎo)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(fù)配協(xié)同[7-8]。采用旋轉(zhuǎn)氧彈(RBOT)試驗(yàn)檢測(cè)復(fù)配后油品的抗氧化性能，試驗(yàn)溫度為150 ℃。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。結(jié)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(fù)合產(chǎn)生明顯的抗氧化協(xié)同效應(yīng)，旋轉(zhuǎn)氧彈值明顯提高。

表2 抗氧劑的復(fù)配協(xié)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(qiáng)油膜強(qiáng)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(jìn)行SRV變溫法(柱盤)減摩測(cè)試，結(jié)果見圖1。極壓性能測(cè)試結(jié)果見表3。結(jié)合圖1和表3可以看出，MoDTC既具有較低的摩擦因數(shù)，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(jìn)行復(fù)配，再借鑒文獻(xiàn)[14-15]長壽命齒輪油產(chǎn)品開發(fā)的成功經(jīng)驗(yàn)和成熟應(yīng)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(duì)齒輪潤滑脂的測(cè)試方法，建立了齒輪摩擦磨損臺(tái)架，對(duì)不同配方的產(chǎn)品進(jìn)行了評(píng)價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果見表4，摩擦副的磨損情況見圖2。

表3 不同固體填料對(duì)潤滑脂極壓性能的影響

表4 齒輪磨損試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表4中齒輪磨損模擬性能評(píng)價(jià)結(jié)果來看，配方3和配方4通過了12級(jí)極壓抗磨性能的測(cè)試，均具有優(yōu)良的抑制摩擦副發(fā)生磨損的性能，表現(xiàn)結(jié)果為齒輪的總質(zhì)量損失很小。但從試驗(yàn)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(yàn)產(chǎn)品的配方。

1.4 潤滑脂基本性能

確定了基礎(chǔ)油、制備工藝和添加劑配方后，制備了一種應(yīng)用在擺線針輪減速器的潤滑脂產(chǎn)品，制備的產(chǎn)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(shù)據(jù)

1.5 擺線針輪減速器潤滑脂理化性能評(píng)價(jià)

采用SRV恒溫法測(cè)試潤滑脂的摩擦因數(shù)，如圖4所示。結(jié)果表明，該潤滑脂具有優(yōu)良的抑制摩擦副發(fā)生磨損的性能和摩擦因數(shù)保持能力，能夠較好地形成邊界潤滑膜，從而起到優(yōu)良的抗磨減摩效果。按照國外對(duì)齒輪潤滑脂的測(cè)試方法，建立了齒輪摩擦磨損臺(tái)架，對(duì)擺線針輪(RV)減速器脂進(jìn)行抗磨損性能測(cè)試，齒輪承載級(jí)別高于12級(jí)，齒輪總質(zhì)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(yōu)良的摩擦磨損性能。

1.6 應(yīng)用測(cè)試

為了驗(yàn)證開發(fā)的產(chǎn)品在機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的潤滑可靠性，選擇在沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化有限公司的SR210D型2 100 N機(jī)器人上進(jìn)行測(cè)試，如圖5所示。按照《JSWJ-CSGF-16001-V1.0_工業(yè)機(jī)器人減速器潤滑脂產(chǎn)品測(cè)試規(guī)范》，2臺(tái)機(jī)器人均在負(fù)荷2 100 N、滿行程、室溫((23±2)℃)、24 h不間斷運(yùn)行的極端運(yùn)行條件下，進(jìn)行了為期8 000 h的性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明,該潤滑脂具有非常優(yōu)良的性能，主要表現(xiàn)在：(1)具有優(yōu)良的機(jī)械安定性和稠度保持能力，試驗(yàn)前后稠度無明顯變化；(2)產(chǎn)品外觀呈現(xiàn)亮黃色，能夠很好地進(jìn)行新舊脂的區(qū)分；(3)具有優(yōu)良的控制減速器溫升性能，整個(gè)測(cè)試過程中，減速器、伺服電機(jī)和齒輪箱運(yùn)行溫度正常；(4)在整個(gè)測(cè)試過程中，機(jī)器人運(yùn)行平穩(wěn)，無定位不準(zhǔn)確情況。

2 結(jié)論

(1)以合成烴和精制礦物油為基礎(chǔ)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(biāo)優(yōu)良。

(2)選擇2臺(tái)SR210D型2 100 N工業(yè)機(jī)器人，在負(fù)荷2 100 N、滿行程、室溫((23±2)℃)、24 h不間斷運(yùn)行的極端運(yùn)行條件下，對(duì)擺線針輪(RV)減速器潤滑脂進(jìn)行了為期8 000 h的性能測(cè)試。結(jié)果表明，該脂對(duì)減速器的潤滑保護(hù)性能優(yōu)良，完全滿足機(jī)器人使用要求。