Predictive maintenance of external gear pumps by means of CFD simulations with erosion model and validation with experimental data

External gear pumps are among the most widespread and widely used fluid machines in industry, due to their relative simplicity and low cost. The study presented here shows the analysis of the wear phenomenon of gear pumps, both through data from experimental tests and through CFD simulations with a Lagrangian erosion model. The operating conditions of 12 FG200 series pumps, manufactured by Fluid-O-Tech s.r.l., were monitored and data was collected over 3 years of testing. Analysis of this data shows the decay of pump performance over time. It is possible to identify similar trends among the various pumps and common causes that have accelerated the wear process. Of these, the most important is related to impurities in the working fluid: solid particles get trapped inside the pump and impact with the surfaces of the case and gears, causing wear. For this reason, a numerical model based on computational fluid dynamics was built to simulate the flow inside the pump. The model also includes a Lagrangian erosion model capable of calculating a surface erosion rate for the gears and casing, to which a respective decay in pump performance is then associated. Simulations were run describing the pump in a healthy condition and in a worn condition. In both cases, the model matched the experimental data very well. The erosion model also proved to be very reliable, especially on the qualitative comparison of the areas of greatest surface erosion from the simulations and experimental data. This model can then be used to derive the distribution at equilibrium assumed by the particles and deduce from this the most likely wear zones of the pump. Finally, through the combined use of high-fidelity data coming from CFD simulations, experimental data and machine learning algorithms, it is possible to build and validate a complete predictive maintenance model for external gear pumps.

Le pompe a ingranaggi esterni sono tra le macchine a fluido più diffuse e utilizzate nell' industria, grazie alla loro relativa semplicità e basso costo. Lo studio qui presentato mostra l' analisi del fenomeno dell' usura delle pompe a ingranaggi, sia attraverso dati derivanti da prove sperimentali, sia attraverso simulazioni CFD con modello di erosione Lagrangiano. Sono state monitorate le condizioni di funzionamento di 12 pompe della serie FG200, prodotte da Fluid-O-Tech s.r.l., e sono stati raccolti dati in 3 anni di test. L' analisi di questi dati mostra il decadimento delle prestazioni della pompe nel tempo. E' possibile individuare andamenti simili tra le varie pompe e cause comuni che hanno accelerato il processo di usura. Tra queste, la più importante è legata alle impurità presenti nel fluido di lavoro: le particelle solide rimango intrappolate all' interno della pompa e urtano con le superfici della cassa e degli ingranaggi causandone l'usura. Per questo motivo, è stato costruito un modello numerico basato sulla fluido-dinamica computazionale, in grado di simulare il flusso all' interno della pompa. Il modello comprende anche un modello di erosione Lagrangiano capace di calcolare un tasso di erosione superficiale per gli ingranaggi e la cassa, a cui associare poi un rispettivo decadimento delle prestazioni della pompa. Sono state effettuate simulazioni che descrivono la pompa in condizioni di salute e in condizioni di usura. In entrambi i casi, il modello ha riscontrato ottima corrispondenza con i dati sperimentali. Anche il modello di erosione si è rivelato molto attendibile, soprattutto sul confronto qualitativo delle zone di maggiore erosione superficiale derivanti dalle simulazioni e dai dati sperimentali. Questo modello può quindi essere utilizzato per ricavare la distribuzione all'equilibrio assunta dalle particelle e dedurre da questa le zone di usura più probabili della pompa. Infine, attraverso l'uso combinato di dati ad alta fedeltà provenienti da simulazioni CFD, dati sperimentali e algoritmi di machine learning, è possibile costruire e validare un modello completo di manutenzione predittiva per le pompe a ingranaggi esterni.