工業(yè)機器人，是自動控制的、可重復(fù)編程、多用途的操作機，可對三個或三個以上軸進行編程。它可以是固定式或移動式，在工業(yè)自動化中使用。隨著我國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、勞動力成本不斷攀升及機器人生產(chǎn)成本下降，工業(yè)機器人在制造業(yè)中的普及程度不斷上升。2023 年中國工業(yè)機器人市場銷量達28.2萬臺;在役工業(yè)機器人存量達到428.2萬臺(截至2023年年末)，占全球總量的41%。精密減速器通常是指能夠提供高精度、高剛度、高效率和大傳動比的減速器。RV減速器和諧波減速器是在工業(yè)機器人關(guān)節(jié)中最常用的兩類精密減速器。其中，RV減速器是在擺線針輪減速器行星傳動的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種精密傳動型式，具有傳動比范圍大、傳動誤差小、 承載能力大、扭轉(zhuǎn)剛性大、振動小及耐沖擊性強等諸多優(yōu)點，越來越多地在主流工業(yè)機器人精密減速器中得到應(yīng)用。近年來，隨著中國工業(yè)機器人應(yīng)用規(guī)模的不斷擴大，對于配套潤滑劑的需求日益增長。國內(nèi)也開展了工業(yè)機器人減速器專用油的開發(fā)。 由于工業(yè)機器人減速器和整機OEM不開放油品認證，不公開油品規(guī)格和要求，一度沒有公開的國際、國內(nèi)標準可以作為油品評價的依據(jù)，對國產(chǎn)工業(yè)機器人減速器潤滑產(chǎn)品進入市場造成了很大困難。2022年5月，由中國石化潤滑油公司牽頭制定的石化行業(yè)標準NB/SH/T6040《機器人用擺線針輪(RV)減速器潤滑油》開始實施，成為全球范圍內(nèi)首個公開的相關(guān)標準，在工業(yè)機器人減速器和整機OEM(原始設(shè)備制造商)及用戶中受到廣泛關(guān)注，并得到認可。NB/SH/T6040標準中給出了壽命臺架等關(guān)鍵性能評價方法，為國內(nèi)機器人油品市場的規(guī)范生產(chǎn)和使用提供了科學(xué)、可靠的技術(shù)依據(jù)。為了考察所開發(fā)的Sinopec RO150機器人減速器專用油(以下簡稱 Sinopec RO150)與減速器、機器人整機OEM指定潤滑油的性能差異，本文參考NB/SH/T6040，對自主開發(fā)的機器人減速器專用油Sinopec RO150和2款整機OEM指定用油進行了精密減速機壽命臺架試驗與油品理化性能評價。
工業(yè)機器人減速器的工況特點及對潤滑劑的性能要求
工業(yè)機器人的工況特點包括：
◇在室內(nèi)外、南北方均有使用，使用溫度范圍廣;
◇連續(xù)工作時間長，甚至是24h滿負荷連續(xù)運轉(zhuǎn)，關(guān)節(jié)減速機部位連續(xù)工作不斷產(chǎn)生熱量，正常使用時運行溫度約50~70 ℃，極端條件下可達到100℃;
◇關(guān)節(jié)部位通常承受中、重負荷，負荷范圍200~5000N;
◇執(zhí)行重復(fù)動作，對定位精度和重復(fù)定位精度要求高;
◇運動形式多為往復(fù)運動，加速度大，頻繁啟動和轉(zhuǎn)向，易產(chǎn)生微動磨損;
◇工作狀態(tài)下不同關(guān)節(jié)減速機保持方位不同且隨時變化，要求減速機密封材料的密封性能優(yōu)異，確保油品不發(fā)生泄漏;
◇維護周期很長，要求潤滑產(chǎn)品有很長的使用壽命。RV減速器的潤滑方式與嚙合齒輪潤滑不完全相同，需要考慮滑動摩擦、滾動摩擦等多種摩擦形式存在條件下的潤滑，同時要考慮產(chǎn)品的特殊工況以及對穩(wěn)定性和精度的要求。根據(jù)工業(yè)機器人的工況條件和減速器的潤滑特點，潤滑劑需要滿足以下性能要求：
◇溫度適應(yīng)性廣，可在室內(nèi)外、南北方通用，滿足-20~120℃甚至更寬的使用溫度范圍的使用要求;
◇熱穩(wěn)定性能優(yōu)良，保證在70℃甚至100℃能夠正常工作;
◇極壓抗磨性能好，能滿足重負荷工況要求;
◇抗微動磨損性能好，摩擦性能良好，可減少設(shè)備摩擦部位磨損;
◇與密封材料的兼容性能良好，確保設(shè)備油品不發(fā)生泄漏;
◇抗氧化性能好，經(jīng)長期使用后，無明顯氧化現(xiàn)象;
◇使用壽命長，具有10000h以上的換油周期。
試驗部分
試驗用油：
試驗用油選擇自主開發(fā)的機器人減速器專用油Sinopec RO150、兩款整機OEM指定用油A、B。油品典型理化數(shù)據(jù)見表1。從表1可以看出，Sinopec RO150、指定用油A和指定用油B的各項指標都滿足質(zhì)量指標要求。Sinopec RO150的理化性能與指定用油A和指定用油B相當，運動黏度、黏度指數(shù)、傾點、閃點等關(guān)鍵參數(shù)均在合格范圍內(nèi)，顯示出良好的低溫流動性和高溫穩(wěn)定性，在抗泡性、液相銹蝕、氧化安定性等指標上也表現(xiàn)出良好的性能。
表1 試驗油品理化數(shù)據(jù)對比
臺架試驗：
表1中所列的測試項目中，臺架試驗(E110減速器)是針對機器人關(guān)節(jié)減速器的特征性臺架，能良好地反映油品的性能差異。
試驗設(shè)備
采用GB/T35089—2018《 機器人用精密齒輪傳動裝置試驗方法》中規(guī)定的機器人用精密齒輪傳動裝置臺架，根據(jù)減速器的結(jié)構(gòu)和運行特點設(shè)定試驗條件。該臺架試驗方法是減速器行業(yè)用于測評價機器人減速器的綜合性能的臺架方法。本研究引用該方法，固定減速器型號(作為標準測試件)，測試潤滑油長周期運行對于減速器參數(shù)的影響，用以評價油品對設(shè)備的潤滑和保護的綜合性能。精密減速機壽命試驗臺架為擺臂式負載試驗平臺，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗平臺可以模擬工業(yè)機器人精密減速器在實際使用時的周期性負載，并通過調(diào)節(jié)配重塊數(shù)量改變負載值。通過內(nèi)置的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測量減速器輸入端的轉(zhuǎn)矩值，監(jiān)測潤滑油在減速器全壽命周期內(nèi)性能變化對扭矩值的影響，評估潤滑油在減速器使用過程中的狀態(tài)變化。同時采用接觸式溫度傳感器對減速器內(nèi)的潤滑油進行溫度測量，監(jiān)測運行過程中的溫度變化。
圖1 精密減速機壽命臺架試驗示意
減速器的選擇
依據(jù)GB/T37718—2019《機器人用精密行星擺線減速器》，采用具有代表性的中型擺線針輪減速器RV-110E-161作為固定標準件。
試驗周期
GB/T37718—2019規(guī)定減速器的額定壽命不低于6000h。這是絕大多數(shù)減速器的額定壽命，也是整機OEM要求的減速器工作時間，因此油品測試周期應(yīng)滿足減速器6000h壽命要求。同時該標準中規(guī)定了對應(yīng)6000h壽命的臺架試驗時間——減速器當量壽命的計算方法，可據(jù)此結(jié)合臺架實際參數(shù)計算出試驗時間。其當量壽命(即試驗時間)按照下述公式計算：
式中：
按照RV-110E-161的參數(shù)及上述公式，計算出試驗周期為300h。
測試過程
測試過程如下：
◇測試減速器的壽命之前首先按GB/T35089—2018測試減速器的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括傳動誤差、扭轉(zhuǎn)剛度和傳動效率，保證被測減速器的性能符合測試要求。基礎(chǔ)參數(shù)的測試設(shè)備如圖2所示。
圖2 減速器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測試臺架
◇將被測減速器安裝到壽命測試臺上，按GB/T30589—2018進行跑合。
◇待減速器溫度穩(wěn)定時，將負載增加至2.5倍減速器的額定轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速增加至額定轉(zhuǎn)矩，實時監(jiān)測被測減速器的運行狀況。
◇當減速器的運轉(zhuǎn)時間達到計算出的當量壽命，或減速器溫度超過60℃時，將減速器停機檢查。
◇試驗結(jié)束后，再次按GB/T35089—2018測試RV減速器的基礎(chǔ)參數(shù)——傳動誤差、扭轉(zhuǎn)剛度和傳動效率。
結(jié)果與討論
精密減速器壽命臺架試驗結(jié)果：
Sinopec RO150、指定用油A、指定用油B在3臺RV-110E-161型號減速器上開展測試的結(jié)果如圖3~ 圖5所示。
圖3 SinoPec RO150臺架試驗結(jié)果
圖4 指定用油A臺架試驗結(jié)果
圖5 指定用油B臺架試驗結(jié)果
根據(jù)壽命臺架試驗前后減速器的傳動誤差、傳動效率和扭轉(zhuǎn)剛度的數(shù)值計算出的3臺減速器試驗前后的參數(shù)變化見表2及圖6。從表2、圖6可以看出，完成壽命試驗后，裝填3種不同潤滑油的減速器的基礎(chǔ)參數(shù)都發(fā)生了變化。3種油品的基礎(chǔ)參數(shù)變化趨勢相同——傳動誤差增大，傳動效率提高，扭轉(zhuǎn)剛度下降，但變化程度有差異：
◇ 傳動誤差的增大：Sinopec RO150<指定用油B<指定用油A;
◇ 傳動效率的提高：Sinopec RO150>指定用油A> 指定用油B;
◇ 扭轉(zhuǎn)剛度的下降：Sinopec RO150<指定用油B<指定用油A。在固定設(shè)備、操作條件的前提下，潤滑油的不同可以認為是引起傳動誤差、傳動效率和扭轉(zhuǎn)剛度變化的唯一因素。RV減速器傳動誤差、扭轉(zhuǎn)剛度的變化與軸承剛度、齒輪嚙合剛度、構(gòu)件彈性、材料疲勞、潤滑條件等多種因素有關(guān)，傳動誤差的增加和扭轉(zhuǎn)剛度的下降表明，減速器在經(jīng)歷過相當于全壽命周期的運行后，軸承、齒面結(jié)構(gòu)件、材料等都發(fā)生了一定程度的磨損和破壞，裝填Sinopec RO150的設(shè)備傳動誤差增大最小、扭轉(zhuǎn)剛度下降最少，表明該設(shè)備的磨損最輕微，相應(yīng)所裝填的潤滑油對設(shè)備的保護性最好，性能優(yōu)于另外兩種潤滑油。理論上，傳動效率應(yīng)與扭轉(zhuǎn)剛度的變化趨勢相同，且隨著設(shè)備運行時間的增加，兩者都應(yīng)該呈現(xiàn)下降的趨勢。但臺架試驗數(shù)據(jù)表明，裝填了3種潤滑油的減速器的傳動效率都不降反升，這是由于試驗中采用了全新減速器，在臺架試驗前測量傳動效率，設(shè)備還處在磨合階段，而試驗后再次測量傳動效率，設(shè)備已經(jīng)完成了磨合，故此傳動效率上升。 
表2 壽命臺架試驗前后減速器的參數(shù)變化
圖6 油品測試前后減速器的基本參數(shù)變化
試驗前后油品的理化性能：
試驗前后油品的理化性能見表3。由表3可以看出，試驗后Sinopec RO150和指定用油A、B的黏度等級都在150黏度范圍內(nèi)，雜質(zhì)元素和磨損金屬元素含量增加量在合理范圍內(nèi)。
表3 試驗前后油品的理化性能
結(jié)論
☆ Sinopec RO150的各項理化性能與國際品牌指定用油相當，甚至在某些關(guān)鍵指標上表現(xiàn)更為優(yōu)異，能夠滿足工業(yè)機器人精密減速器的潤滑需求，具備替代進口油品的潛力。
☆ 在壽命臺架測試中，使用Sinopec RO150的減速器在傳動誤差、傳動效率和扭轉(zhuǎn)剛度等關(guān)鍵參數(shù)的變化上，相較于指定用油A和B，顯示出更小的性能退化，表明Sinopec RO150具有更好的設(shè)備保護性能，能夠為工業(yè)機器人的長期穩(wěn)定運行提供更為可靠的保障。
參考文獻：略
工業(yè)機器人減速器的工況特點及對潤滑劑的性能要求
工業(yè)機器人的工況特點包括：
◇在室內(nèi)外、南北方均有使用，使用溫度范圍廣;
◇連續(xù)工作時間長，甚至是24h滿負荷連續(xù)運轉(zhuǎn)，關(guān)節(jié)減速機部位連續(xù)工作不斷產(chǎn)生熱量，正常使用時運行溫度約50~70 ℃，極端條件下可達到100℃;
◇關(guān)節(jié)部位通常承受中、重負荷，負荷范圍200~5000N;
◇執(zhí)行重復(fù)動作，對定位精度和重復(fù)定位精度要求高;
◇運動形式多為往復(fù)運動，加速度大，頻繁啟動和轉(zhuǎn)向，易產(chǎn)生微動磨損;
◇工作狀態(tài)下不同關(guān)節(jié)減速機保持方位不同且隨時變化，要求減速機密封材料的密封性能優(yōu)異，確保油品不發(fā)生泄漏;
◇維護周期很長，要求潤滑產(chǎn)品有很長的使用壽命。RV減速器的潤滑方式與嚙合齒輪潤滑不完全相同，需要考慮滑動摩擦、滾動摩擦等多種摩擦形式存在條件下的潤滑，同時要考慮產(chǎn)品的特殊工況以及對穩(wěn)定性和精度的要求。根據(jù)工業(yè)機器人的工況條件和減速器的潤滑特點，潤滑劑需要滿足以下性能要求：
◇溫度適應(yīng)性廣，可在室內(nèi)外、南北方通用，滿足-20~120℃甚至更寬的使用溫度范圍的使用要求;
◇熱穩(wěn)定性能優(yōu)良，保證在70℃甚至100℃能夠正常工作;
◇極壓抗磨性能好，能滿足重負荷工況要求;
◇抗微動磨損性能好，摩擦性能良好，可減少設(shè)備摩擦部位磨損;
◇與密封材料的兼容性能良好，確保設(shè)備油品不發(fā)生泄漏;
◇抗氧化性能好，經(jīng)長期使用后，無明顯氧化現(xiàn)象;
◇使用壽命長，具有10000h以上的換油周期。
試驗部分
試驗用油：
試驗用油選擇自主開發(fā)的機器人減速器專用油Sinopec RO150、兩款整機OEM指定用油A、B。油品典型理化數(shù)據(jù)見表1。從表1可以看出，Sinopec RO150、指定用油A和指定用油B的各項指標都滿足質(zhì)量指標要求。Sinopec RO150的理化性能與指定用油A和指定用油B相當，運動黏度、黏度指數(shù)、傾點、閃點等關(guān)鍵參數(shù)均在合格范圍內(nèi)，顯示出良好的低溫流動性和高溫穩(wěn)定性，在抗泡性、液相銹蝕、氧化安定性等指標上也表現(xiàn)出良好的性能。
表1 試驗油品理化數(shù)據(jù)對比
臺架試驗：
表1中所列的測試項目中，臺架試驗(E110減速器)是針對機器人關(guān)節(jié)減速器的特征性臺架，能良好地反映油品的性能差異。
試驗設(shè)備
采用GB/T35089—2018《 機器人用精密齒輪傳動裝置試驗方法》中規(guī)定的機器人用精密齒輪傳動裝置臺架，根據(jù)減速器的結(jié)構(gòu)和運行特點設(shè)定試驗條件。該臺架試驗方法是減速器行業(yè)用于測評價機器人減速器的綜合性能的臺架方法。本研究引用該方法，固定減速器型號(作為標準測試件)，測試潤滑油長周期運行對于減速器參數(shù)的影響，用以評價油品對設(shè)備的潤滑和保護的綜合性能。精密減速機壽命試驗臺架為擺臂式負載試驗平臺，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗平臺可以模擬工業(yè)機器人精密減速器在實際使用時的周期性負載，并通過調(diào)節(jié)配重塊數(shù)量改變負載值。通過內(nèi)置的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測量減速器輸入端的轉(zhuǎn)矩值，監(jiān)測潤滑油在減速器全壽命周期內(nèi)性能變化對扭矩值的影響，評估潤滑油在減速器使用過程中的狀態(tài)變化。同時采用接觸式溫度傳感器對減速器內(nèi)的潤滑油進行溫度測量，監(jiān)測運行過程中的溫度變化。
圖1 精密減速機壽命臺架試驗示意
減速器的選擇
依據(jù)GB/T37718—2019《機器人用精密行星擺線減速器》，采用具有代表性的中型擺線針輪減速器RV-110E-161作為固定標準件。
試驗周期
GB/T37718—2019規(guī)定減速器的額定壽命不低于6000h。這是絕大多數(shù)減速器的額定壽命，也是整機OEM要求的減速器工作時間，因此油品測試周期應(yīng)滿足減速器6000h壽命要求。同時該標準中規(guī)定了對應(yīng)6000h壽命的臺架試驗時間——減速器當量壽命的計算方法，可據(jù)此結(jié)合臺架實際參數(shù)計算出試驗時間。其當量壽命(即試驗時間)按照下述公式計算：
測試過程
測試過程如下：
◇測試減速器的壽命之前首先按GB/T35089—2018測試減速器的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括傳動誤差、扭轉(zhuǎn)剛度和傳動效率，保證被測減速器的性能符合測試要求。基礎(chǔ)參數(shù)的測試設(shè)備如圖2所示。
圖2 減速器基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測試臺架
◇待減速器溫度穩(wěn)定時，將負載增加至2.5倍減速器的額定轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速增加至額定轉(zhuǎn)矩，實時監(jiān)測被測減速器的運行狀況。
◇當減速器的運轉(zhuǎn)時間達到計算出的當量壽命，或減速器溫度超過60℃時，將減速器停機檢查。
◇試驗結(jié)束后，再次按GB/T35089—2018測試RV減速器的基礎(chǔ)參數(shù)——傳動誤差、扭轉(zhuǎn)剛度和傳動效率。
結(jié)果與討論
精密減速器壽命臺架試驗結(jié)果：
Sinopec RO150、指定用油A、指定用油B在3臺RV-110E-161型號減速器上開展測試的結(jié)果如圖3~ 圖5所示。
圖3 SinoPec RO150臺架試驗結(jié)果
圖4 指定用油A臺架試驗結(jié)果
圖5 指定用油B臺架試驗結(jié)果
根據(jù)壽命臺架試驗前后減速器的傳動誤差、傳動效率和扭轉(zhuǎn)剛度的數(shù)值計算出的3臺減速器試驗前后的參數(shù)變化見表2及圖6。從表2、圖6可以看出，完成壽命試驗后，裝填3種不同潤滑油的減速器的基礎(chǔ)參數(shù)都發(fā)生了變化。3種油品的基礎(chǔ)參數(shù)變化趨勢相同——傳動誤差增大，傳動效率提高，扭轉(zhuǎn)剛度下降，但變化程度有差異：
◇ 傳動誤差的增大：Sinopec RO150<指定用油B<指定用油A;
◇ 傳動效率的提高：Sinopec RO150>指定用油A> 指定用油B;
◇ 扭轉(zhuǎn)剛度的下降：Sinopec RO150<指定用油B<指定用油A。在固定設(shè)備、操作條件的前提下，潤滑油的不同可以認為是引起傳動誤差、傳動效率和扭轉(zhuǎn)剛度變化的唯一因素。RV減速器傳動誤差、扭轉(zhuǎn)剛度的變化與軸承剛度、齒輪嚙合剛度、構(gòu)件彈性、材料疲勞、潤滑條件等多種因素有關(guān)，傳動誤差的增加和扭轉(zhuǎn)剛度的下降表明，減速器在經(jīng)歷過相當于全壽命周期的運行后，軸承、齒面結(jié)構(gòu)件、材料等都發(fā)生了一定程度的磨損和破壞，裝填Sinopec RO150的設(shè)備傳動誤差增大最小、扭轉(zhuǎn)剛度下降最少，表明該設(shè)備的磨損最輕微，相應(yīng)所裝填的潤滑油對設(shè)備的保護性最好，性能優(yōu)于另外兩種潤滑油。理論上，傳動效率應(yīng)與扭轉(zhuǎn)剛度的變化趨勢相同，且隨著設(shè)備運行時間的增加，兩者都應(yīng)該呈現(xiàn)下降的趨勢。但臺架試驗數(shù)據(jù)表明，裝填了3種潤滑油的減速器的傳動效率都不降反升，這是由于試驗中采用了全新減速器，在臺架試驗前測量傳動效率，設(shè)備還處在磨合階段，而試驗后再次測量傳動效率，設(shè)備已經(jīng)完成了磨合，故此傳動效率上升。
表2 壽命臺架試驗前后減速器的參數(shù)變化
圖6 油品測試前后減速器的基本參數(shù)變化
試驗前后油品的理化性能：
試驗前后油品的理化性能見表3。由表3可以看出，試驗后Sinopec RO150和指定用油A、B的黏度等級都在150黏度范圍內(nèi)，雜質(zhì)元素和磨損金屬元素含量增加量在合理范圍內(nèi)。
表3 試驗前后油品的理化性能
結(jié)論
☆ Sinopec RO150的各項理化性能與國際品牌指定用油相當，甚至在某些關(guān)鍵指標上表現(xiàn)更為優(yōu)異，能夠滿足工業(yè)機器人精密減速器的潤滑需求，具備替代進口油品的潛力。
☆ 在壽命臺架測試中，使用Sinopec RO150的減速器在傳動誤差、傳動效率和扭轉(zhuǎn)剛度等關(guān)鍵參數(shù)的變化上，相較于指定用油A和B，顯示出更小的性能退化，表明Sinopec RO150具有更好的設(shè)備保護性能，能夠為工業(yè)機器人的長期穩(wěn)定運行提供更為可靠的保障。
參考文獻：略