1、一种特定谐波减速机的油脂泄露机理研究杨波阚文斌艾思贤(克鲁勃润滑产品(上海)有限公司)摘要：如今，机器人技术已广泛应用于各个行业。但是，油脂泄漏对于最终用户和减速机OEM来说是一个普遍的问题。在本文中，我们介绍并讨论了特定类型的谐波减速器的一种可能的“油脂泄漏”机制。之后，我们制备了系列实验室润滑脂样品A-E,并进行了谐波驱动(HD)减速器台架测试实验，以评估其泄漏性能。各润滑脂样品的触变性能通过量身定制的流变程序进行测量表征。最终建立了润滑脂的泄漏与触变性之间的联系。关键词：谐波减速器；润滑脂；泄露；流变学；触变性Investigation of Leakage Mechanism on O
2、ne Type of HarmonicReducer and Exploration of Suitable non-leaking GreasesDr. Bo Yang, Dr. Wenbin Kan, Dr.Maximilian Erhard(Kluber Lubrication Industries (Shanghai) Co., Ltd.)Abstract: Nowadays robotics has been widely applied in various industries. However,grease leakage is a common issue for end u
3、sers and reducer OEMs. In the article, weintroduce and discuss one possible “grease leakage mechanism of a specific type ofharmonic speed reducer. Then, several lab grease samples A-E were prepared andsubjected to harmonic drive (HD) reducer testing rig experiments to evaluate theirleakage performan
4、ces. Their thixotropic properties were measured via a tailor-maderheology program. A correlation between leakage and thixotropy of grease wasestablished.Key words: Harmonic reducer; Grease; Leakage; Rheology; Thixotropy研究背景：近年来，机器人技术行业持续发展。工业机器人的应用领域不仅在汽车和电子行业中得到了扩展，而且在全世界的医疗，食品，农业和建筑行业中也得到了扩展。除伺服电机
5、外，减速器是机器人最重要的部件之一，它可以在传递扭矩，调节速度等方面发挥关键作用。当前，在机器人行业中广泛使用三种类型的减速器，包括RV齿轮减速器，谐波驱动减速器(HD),行星齿轮减速器。在各种减速器中，谐波减速器具有体积小，减速比大的特点。根据工业机器人谐波减速器的工作条件，通常要求谐波减速器在长期不断起停的工况下能够保持长期正常运行并保持较高的传动精度。此外，工业机器人终端用户经常提到谐波减速器的传输精度，温度升高，噪声，磨损等问题，这些问题与润滑脂的极压和抗磨性能高度相关。但是，另一个终端用户严重关切的问题是机器人减速器的油脂泄漏。对此泄漏问题此前已经有很多的探索和研究,减速机设备制造商
6、OEM)也经常收到与“油脂泄漏”相关的投诉或反馈。这种“油脂泄漏”是行业的痛点，并可能导致生产事故，环境污染和机器人损坏。因此，工业机器人的终端用户和减速机OME渴望获得“无泄漏润滑脂”或“泄漏较少的润滑脂”。油脂泄露机理:现有广为人知的油脂泄露理论集中在减速器运行过程中的剪切变稀效应；换言之,由于剪切导致润滑脂稠度变化，并进一步导致了 “油脂泄漏”。在本文中，我们基于对一种特定型号的、发生油脂泄漏的谐波减速器进行了研究，并提出了一种新的可能的“油脂泄漏机制。如下图1所示，谐波传动(HD)减速器主要由三部分组成，包括椭圆轴承(柔性轴承)，柔性齿轮(flex-spline)和刚性齿轮(circ
7、ular-spline)。图1左侧展示了 HD减速器的剖面图。右测对应的是减速机的三个主要部分的爆炸图，图中未显示十字交叉滚子轴承部分和密封件。润滑脂被充填涂加到柔性轴承、齿轮啮合部位、十字交叉滚子轴承以及柔性齿轮的内部腔室中。测试减速器被组装于机器人摆臂测试台架，并于特定测试条件下测试其油脂泄露特性。e图1.谐波减速器剖面图(左)；谐波减速器三个主要组件爆炸图(右)(a.柔性轴承；b.柔性齿轮；c.刚性齿轮；d.密封件；e,十字交叉滚子轴承)有趣的是，在发生油脂泄漏的HD减速器上，我们发现了异常的油脂泄漏现象如图2所示，润滑脂从减速机输出端的密封件部分泄漏。基于这种泄露现象，我们进行了详细的
8、调查研究，并针对具体情况进一步给出了一种新的油脂泄漏机理假设。密封件部位泄露润滑脂（密封件）柔轮钢轮间睽润滑脂（间承）帽内润滑脂削面图图2.发生油脂泄露的谐波减速机剖面图如图2所示，清楚地展示了 HD减速器密封件部位的油脂泄漏现象。在对泄露减速器进行拆卸后，从图2所示的不同位置收集使用过的润滑脂（包括密封件，帽形件内腔，柔轮钢轮间隙）将用于剪切粘度变化方面的进一步分析。为了进行比较，还同时对比了来自台架测试中“未发生油脂泄露的HD减速器的油脂样品。这些收集自减速器相同位置的平行润滑脂样品也平行进行了分析测试。另外，我们还测量了新鲜油脂的剪切粘度，以供对比。表1列出了各润滑脂样品的剪切粘度测试结
9、果，这些结果取自泄漏和未泄漏的减速器的不同位置。可以看出，从泄漏的减速器的“帽内”位置出来的润滑脂，与新鲜润滑脂（1692-1292 mPa-s）相比，剪切粘度降低了近23%。同时，未泄漏的减速器在同一 “帽内”位置的润滑脂的剪切粘度值（1696 mPa-s）与新鲜润滑脂保持相同的水平。这些结果表明，润滑脂的剪切变稀对泄漏有明显的影响。但是，它不能解释为什么润滑脂从减速器的密封件部分位泄漏o表1油脂样品剪切粘度新鲜油脂泄露减速器油脂样品无泄漏减速器油脂样品.帽内间隙密封件帽内间隙剪切粘度(25 C, 300 s1)169212921535145316961325经过详细调查研究，在此我们给出了
10、有关此特定情况的泄漏机制的假设。在HD减速器的运行期间，波发生器（柔性轴承）和齿轮部件中的润滑脂均处于高剪切状态。剪切稀化效应使得润滑脂（非牛顿流体）具有了更多的流体特征（图3,步骤1）。这意味着润滑脂变得更易流动。HD减速机OEM和终端用户经常提到另一种效应，称为“泵吸”。柔轮钢轮间隙部位的齿轮在运行过程中持续发生啮合和分离过程，从而产生泵吸效果（图3,步骤2）。软化的油脂将被吸入柔轮钢轮的装配间隙中，直到间隙被完全填满。在此阶段，由于低剪切环境（图3,步骤3）,润滑脂的剪切粘度值（表1）将略有恢复。在减速器的整个使用寿命期间，以上三个步骤会继续发生。间隙腔体空间内的油脂及压力不断累积。最终
11、将导致十字交叉滚子轴承部分中的润滑脂从密封圈部位被挤出，发生此特殊“油脂泄漏”现象（图3,步骤4）。步骤1 -润滑脂在波发生器（柔性轴承）及齿轮啮合立剪切变稀。步骤2 -变稀润滑脂具有流动性;在泵吸效应下被吸入柔轮及钢轮部件间隙。步骤3-间隙逐渐被变稀润滑脂填满，并且其在低剪切条件下稠度有所恢复。步骤4-间隙中的油脂及压力累积最终令十字交叉滚子轴承中的润滑脂从密封件处泄露出来。图3.可能的油脂从密封件部位泄露机理基于上述“油脂泄漏”机理的探索，进一步引出了如何避免或减少油脂泄漏的问题。哪种润滑脂可以满足此需求？根据上述泄漏机理的假设，为了降低泄漏风险，应优选具有较高的机械稳定性和良好的触变性
12、的润滑脂产品。高机械稳定性可以减少润滑脂因剪切稀化造成的泄露风险。润滑脂的触变性也被认为是重要的防泄露特性。高触变性意味着润滑脂胶体结构对剪切条件的耐受性更高并具有一定的结构恢复能力o 一旦剪切力下降或消失，润滑脂的稠度可以恢复到新鲜润滑脂的水平或类似水平。结果及讨论:我们制备了一系列在增稠剂类型，增稠剂比例，NLGI锥入度等级等方面具有不同特性的润滑脂样品。在我们的HD减速机试验台架上对其泄漏性能进行了测试及评估，结果列于表2。表2用于泄露表现评价的系列润滑脂样品样品A样品B样品C样品D样品E稠化剂类型简单锂皂复合锂皂复合锂皂简单锂皂简单锂皂基础油矿物油聚a烯燃聚以烯燃矿物油矿物油稠化剂比例
13、10%10%10%10%20%NLGI 等级22122泄露状态否是是是否此外，我们使用实验室定制的流变方法来评价润滑脂样品的触变性叫我们使用的流变测试程序包括三个阶段，从低剪切速率（100 s1）开始持续800秒。然后，剪切速率在15秒内迅速增加到10000 s 在此高剪切速率保持800秒。最后，剪切速率再次降低至100 s1,并在此水平下保持3200秒以完成测试程序（表3）。表3流变测试设定程序流变程序剪切速率/s100100-1000010000100持续时长/S800158003200从减速器台架测试的评价结果来看，五个润滑脂样品的流动曲线（图4）显示出与其泄漏状态（表2）具有明显的相关
14、性。在五个样品中，样品A表现出最佳的触变性，当剪切速率由高剪切速率回到100 S1时，其剪切粘度立即恢复至初始水平。样品E也表现出良好的触变性，当剪切速率降低至100 s 1时，其剪切粘度也得以恢复。样品B则显示出比上述两个样品差的触变性能。在10000广的高剪切速率下持续800秒后，其剪切粘度未能恢复到其初始水平。流变曲线图4.样品A - E的流动曲线及其恢复性能表现润滑脂样品A - E的剪切粘度恢复率变化可以更直观地如图5所示：恢复率等于特定时间（1600 s和3200 s）后的剪切粘度除以在800秒时的剪切粘度数值。样品A和E具有最佳的恢复率。样品A在高速剪切后恢复的剪切粘度甚至高于低速
15、剪切下的值：分别在1600秒后恢复率约为150%和在3200秒后约为140%o样品E的恢复率约为100%,这也是一个很好的结果。与首选的样品A和E相比，其他样品的剪切粘度恢复率要低得多。在HD减速器试验台实验中，它们的泄漏测试表现也较差。g泌、诚.球:知:.獭的尤羯,魂;，欲跳知所哩3 一初，.按“国一都滴攻降很免鄢站的iW | W泌.殍 龄观5.卷场廉图5五种润滑脂样品在1600及3200秒的剪切粘度恢复率对比结论:在本文以上内容中，我们基于一款特定型号的谐波减速器提出了一种可能的“油脂泄漏”机制假设。此外，我们制备了五种不同的润滑脂样品，这些样品在NLGI锥入度等级，增稠剂类型，比例等方面
16、具有不同的特性。进一步的流变测试结果清楚地揭示了润滑脂的触变性与其防泄漏性能之间的相关性。在所有评估的润滑脂中，样品A和E在无润滑脂泄漏”方面表现出最佳性能。引用文献：1 A. Shishikura, F.Kusuyama. Effect of Grease Structure on Leakage of Grease from SpeedReducing Gear for Robot. Proceedings of the 2016 IEEE International Conference on Robotics andBiomimetics Qingdao, China, Dec. 3-
17、7, 2016.2 Ewbank, WJ., Waring, R.L. Development of a method for determining the leakagecharacteristics of lubricating grease. National Lubricating Grease Institute Spokesman, Vol 33, No.1 (April 1969) pp 13-17.3 J. Lundberg, E. Hoglund. A new method for determining the mechanical stability oflubrica
18、ting greases. Tribology International 33 (2000) 217-223.Brief introduction of 1st author:Dr. Bo Yang received his PhD degree in Max-Planck Institute for Polymer Research 2016,Germany. Then he went back to Shanghai and joined Lubrication Industries (Shanghai)Co., Ltd. (KLIS) as a trainee at R&D depar
19、tment. In 2019, he was promoted as R&Dsupervisor - Bearing. His main responsibilities are in charge of bearing, heavy industry,robotics related applications and products development. In 2021, he became the CDCmanager of KLIS and take responsibilities of more application fields, including Automotive,Chain and gear oil, Wind Power, Rail etc.杨波博士于2016年毕业于德国马克斯-普朗克高分子研究所并获得了博士学位。之后，他回到上海并以研发培训生的身份加入了克鲁勃润滑产品(上海)有限公司(KLIS)。在2019年，他被提升为研发主管-轴承。他的主要职责是负责轴承，重工业，机器人技术相关的应用和产品开发。2021年，他成为克鲁勃中国区域研发中心经理，负责更多应用领域，包括汽车，链条和齿轮油，风力发电，铁路等。
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