曹 斌

（柳州五菱柳機動力有限公司，廣西 柳州 545005）

0 引言

工業(yè)機器人（下面簡稱機器人）是在工業(yè)生產(chǎn)制造中使用的機器人的總稱，它是一種多關(guān)節(jié)機械手或多自由度的機器設(shè)備，擁有一定的自動智能性，可用來取代人工完成繁重、重復(fù)、有害、精度要求高等各方面的工作。機器人的高質(zhì)量發(fā)展是一個國家科技創(chuàng)新與高端制造水平的體現(xiàn)，也是實現(xiàn)工業(yè)4.0 的必由之路。機器人的制造和裝機數(shù)量日益增加，機器人在現(xiàn)代化工廠建設(shè)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(guān)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(guān)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(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，企業(yè)機器人現(xiàn)場管理缺乏系統(tǒng)的潤滑管理，部分企業(yè)機器人使用4～5 年，由于疏于管理，減速機核心部件已經(jīng)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(nèi)外大量的設(shè)備故障統(tǒng)計顯示，80%的機械設(shè)備部件失效、異常或故障來自磨損，僅此單項導(dǎo)致的經(jīng)濟損失就占工業(yè)化國家GDP 的5%～7%，有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計50%的機械設(shè)備惡性事故源于潤滑管理不當。目前我國的制造業(yè)還處于工業(yè)4.0 的初級階段，只關(guān)注到一些表象問題，例如機器人減速機系統(tǒng)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(shè)備潤滑管理制度、精益管理、潤滑新技術(shù)、清潔生產(chǎn)、污染控制、能源利用、環(huán)境保護等隱性問題還需要引起企業(yè)關(guān)注。下面將研究機器人如何找到科學(xué)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(yè)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(xiàn)狀

在生產(chǎn)企業(yè)中，機器人的潤滑保養(yǎng)大多數(shù)都是按機器人廠家給的潤滑周期進行保養(yǎng)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(xiàn)象，隨著資源節(jié)約型社會的呼聲日益強烈，設(shè)備的“過潤滑”現(xiàn)象已引起廣泛關(guān)注。機器人減速機是工業(yè)機器人高精度機械部件，它的穩(wěn)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(diào)試工藝程序，換減速機工作既耗時耗力，又影響企業(yè)正常生產(chǎn)。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(yè)維保人員素質(zhì)參差不齊，缺乏機器人相關(guān)維護保養(yǎng)培訓(xùn)，設(shè)備重使用輕維護管理，機器人設(shè)備潤滑維護周期過長，或存在過度保養(yǎng)潤滑浪費企業(yè)生產(chǎn)成本，缺乏機器人潤滑系統(tǒng)性知識，維護不當造成設(shè)備可靠性下降而導(dǎo)致產(chǎn)線故障頻發(fā)，機器人的維修費用高、設(shè)備能耗高、關(guān)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(guān)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(shù)據(jù)，分析出一個在不同環(huán)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(shè)備的潤滑成本，提升機器人設(shè)備的機械穩(wěn)定性能，為企業(yè)尋找到一條最經(jīng)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(xiàn)場環(huán)境、工作時間和設(shè)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(xiàn)場環(huán)境分為：潮濕、電焊、粉塵和酸堿液等不同環(huán)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(shè)備負荷時間。設(shè)備壽命根據(jù)設(shè)備全生命周期管理中又分為3 個階段：設(shè)備初期安裝調(diào)試及磨合階段、最大性能運行階段、設(shè)備劣化磨損加劇階段。圖1 所示為設(shè)備與潤滑之間的關(guān)系圖。

圖1 設(shè)備潤滑關(guān)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(shè)計計算、制造加工、選用材料、材料熱處理、潤滑方式和介質(zhì)的選擇等先天性問題，以及使用、維護、保養(yǎng)中的不當?shù)?，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(shè)計、結(jié)構(gòu)、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(zhì)、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(huán)境污染。

潤滑油的劣質(zhì)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(zhì)化的首要原因，污染嚴重不但不能發(fā)揮其優(yōu)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(jié)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(huán)境會加速機器人減速機內(nèi)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(huán)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(fā)生物理或化學(xué)變化，從而影響潤滑效果。由此可看出在設(shè)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(fā)生反應(yīng)，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(chǎn)生不溶物堵塞濾網(wǎng)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(dǎo)致油品的表面張力降低，使?jié)櫥蛫A帶空氣而起泡，導(dǎo)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?jié)櫥彤a(chǎn)生的微生物并懸浮于油品中，微生物會產(chǎn)生異味或堵塞濾網(wǎng)。

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

⑦氫脆：氫脆是摩擦學(xué)界研究的熱門領(lǐng)域，氫的來源有可能就是水,在高壓狀態(tài)下，水會裂解產(chǎn)生氫，氫脆作用會加速微觀裂隙的進一步開裂而導(dǎo)致最終的磨損。

⑧水洗作用:水污染會使?jié)櫥冘浟魇?，造成缺脂或系統(tǒng)密封性下降。

（3）機械雜質(zhì)。對于機器人減速機，在正常無漏油的情況下，機械雜質(zhì)的主要來源于內(nèi)部軸承齒輪本身的磨損，在前期磨合中，機械雜質(zhì)會比較多。機械雜質(zhì)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(nèi)部軸承磨損，并使軸承水封、油封的損壞，引起系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，分析出不同工況下對機器人換油周期的影響程度，通過經(jīng)驗數(shù)據(jù)比對設(shè)備廠家給的換油周期折算出最安全、最經(jīng)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(jié)果超出標準要求值，通過實際應(yīng)用檢測出來標準要求下的臨界值。因檢測報告數(shù)據(jù)項目較多，下面分析數(shù)據(jù)中只選取其中通過前文分析出的黏度、水分和機械雜質(zhì)3 個影響因素進行檢測，記錄3 個關(guān)鍵要素的數(shù)據(jù)來做重點收集分析。

通過分析收集到的數(shù)據(jù)，得出的結(jié)論為：3 種工況下的機器人在超過設(shè)備廠家給的換油周期后的油品質(zhì)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(jié)果在廠家給的換油周期到期后就有三項檢測結(jié)果已經(jīng)嚴重超標，換出的油品質(zhì)量很差，雜質(zhì)較多，顏色變黑，并有霉腐的異味，生產(chǎn)時示教器上觀察負載數(shù)字已接近過載報警的臨界線。裝配機器人在空調(diào)恒溫干燥車間環(huán)境下，油品在超過廠家換油周期的第4 個檢測周期才出現(xiàn)了機械雜質(zhì)超標的情況，超過廠家換油周期使用8000 h，油品質(zhì)量才出現(xiàn)稍微超標情況，但是機器人機械部件運轉(zhuǎn)情況正常，負載變化不大。澆注機器人在高溫干燥的環(huán)境下，油品到了第2 個檢測周期開始出現(xiàn)機械雜質(zhì)些許超標，因此繼續(xù)使用了一個周期，檢測嚴重超標后才進行換油。具體檢測結(jié)果數(shù)據(jù)見表2。

表2 檢測結(jié)果數(shù)據(jù)表

通過對比抽檢的3 種不同工況環(huán)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(diào)環(huán)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(nèi)的機器人，減速機內(nèi)的油品在達到廠家的換油周期時，油品質(zhì)量已嚴重超差，并導(dǎo)致負載變大的情況，在第4 個檢測周期，機械雜質(zhì)已接近標準的臨界點，因此實際的安全換油周期應(yīng)該在廠家標準換油周期上縮短一半；在高溫干燥的澆注環(huán)境下，在第2 個檢測周期是出現(xiàn)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(huán)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(xié)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(jié)語

在滿足機器人運行性能對潤滑的要求下，延長工況環(huán)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(yè)的生產(chǎn)運行成本。對于環(huán)境嚴苛工況下的機器人應(yīng)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(guān)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(xué)的潤滑管理，利于企業(yè)的降本增效，有助于我國工業(yè)制造業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。