vestiftИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-технических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physical-technical series1561-83582524-244XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-8358-2025-70-4-296-306vestift-914Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕ, МЕХАНИКАMECHANICAL ENGINEERING AND MECHANICSОценка напряженно-деформированного состояния направляющих шахтного ствола с учетом динамики воздушных потоковAssessment of the mine shaft guides stress-strain state under the elevator force impact caused by the dynamics of airflow motionhttps://orcid.org/0000-0002-7420-5821ЖуравковМ. А.ZhuravkovM. A.

Журавков Михаил Анатольевич – доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и прикладной механики механико-математического факультета

пр. Независимости 4, 220030, Минск 

Michael A. Zhuravkov – Dr. Sci. (Physics and Mathematics), Professor, Head of the Theoretical and Applied Mechanics Department of the Faculty of Mechanics and Mathematics

4, Nezavisimosti Ave., 220030, Minsk 

Zhuravkov@bsu.byhttps://orcid.org/0000-0003-3733-1615НиколайчикМ. А.NikolaitchikM. A.

Николайчик Михаил Александрович – кандидат физико-математических наук, заведующий научно-исследовательской лабораторией прикладной механики механико-математического факультета

пр. Независимости 4, 220030, Минск 

Mikhail A. Nikolaitchik – Cand. Sci. (Physics and Mathematics), Head of the Scientific Research Laboratory of Applied Mechanics of the Faculty of Mechanics and Mathematics 

4, Nezavisimosti Ave., 220030, Minsk 

NikolaitchikMA@bsu.byhttps://orcid.org/0009-0001-7204-1974КлимковичН. М.KlimkovichN. M.

Климкович Никита Михайлович – младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории прикладной механики механико-математического факультета

пр. Независимости 4, 220030, Минск 

Nikita M. Klimkovich – Junior Researcher of the Scientific Research Laboratory of Applied Mechanics of the Faculty of Mechanics and Mathematics

4, Nezavisimosti Ave., 220030, Minsk 

nikita.klimkovitch@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0003-5056-3880КарповичИ. Н.KarpovichI. N.

Карпович Иван Николаевич – младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории прикладной механики механико-математического факультета

пр. Независимости 4, 220030, Минск 

Ivan N. Karpovich – Junior Researcher of the Scientific Research Laboratory of Applied Mechanics of the Faculty of Mechanics and Mathematics 

4, Nezavisimosti Ave., 220030, Minsk 

KarpovichIN@bsu.byhttps://orcid.org/0009-0000-2230-1494МорочковскийИ. В.MorochkovskiI. V.

Морочковский Иван Владимирович – начальник горного отдела  

пр. Независимости 169, 220024, Минск 

Ivan V. Morochkovski – Head of the Mining Department  

169, Nezavisimosti Ave., 220024, Minsk 

ivan.morochkovski@pgrp.byБелорусский государственный университетBelarusian State UniversityООО «Проектирование горнорудных предприятий»LLC “Design of Mining Enterprises”202506012026704296306Copyright © Журавков М.А., Николайчик М.А., Климкович Н.М., Карпович И.Н., Морочковский И.В., 20262026Журавков М.А., Николайчик М.А., Климкович Н.М., Карпович И.Н., Морочковский И.В.Zhuravkov M.A., Nikolaitchik M.A., Klimkovich N.M., Karpovich I.N., Morochkovski I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestift.belnauka.by/jour/article/view/914

Рассматривается задача контактного взаимодействия роликов клети (лифта) шахтного подъемного комплекса с направляющими проводниками при эксплуатации системы лифтоподъемника в вентиляционном стволе с учетом динамики движения воздушных потоков. Изучено влияние различных режимов работы вентиляционной установки, а также движения клети и противовеса на параметры контактного взаимодействия, возникающего между роликами клети и направляющими проводниками. Разработана численная модель контактного взаимодействия роликов клети с шахтными направляющими проводниками на основе метода конечных элементов. Построенная конечно-элементная модель позволяет производить оценку напряженно-деформированного состояния конструкционных элементов направляющих устройств при различных конфигурациях силового воздействия со стороны клети, а также определять величины критических нагрузок, которые могут вызывать остаточные деформации в направляющих проводниках. Анализ результатов исследований показал, что аэродинамические силы, возникающие при эксплуатации шахтных подъемных комплексов, оказывают существенное влияние на напряженно-деформированное состояние данной геотехнической системы, что подчеркивает необходимость их учета при проектировании элементов шахтного подъемного комплекса. Полученные результаты могут быть использованы для обеспечения безопасной и безаварийной эксплуатации шахтных подъемных комплексов путем оптимизации их конструкций при проектировании для минимизации напряжений в узле контакта роликов клети с шахтными направляющими проводниками, а также для разработки рекомендаций по замене направляющих устройств в условиях многоциклового воздействия со стороны роликов клети.

This study addresses the problem of contact interaction between the rollers of a mine hoist cage (elevator) and the guide conductors during the operation of a hoist system in a ventilation shaft, taking into account the dynamics of airflow. The influence of various operating modes of the ventilation system, as well as the movement of the cage and counterweight, on the parameters of the contact interaction arising between the cage rollers and guide conductors has been investigated. A numerical model of the contact interaction between the cage rollers and mine guide conductors has been developed based on the finite element method. The constructed finite element model allows for the assessment of the stress-strain state of the structural elements of the guiding devices under various configurations of force exerted by the cage, as well as for determining the magnitudes of critical loads that can cause residual deformations in the guide conductors. Analysis of the research results has shown that aerodynamic forces arising during the operation of mine hoist complexes significantly influence the stress-strain state of this geotechnical system, highlighting the necessity of accounting for them in the design of mine hoist components. The obtained results can be used to ensure the safe and failure-free operation of mine hoist complexes by optimizing their designs during the planning stage to minimize stresses in the contact node between the cage rollers and mine guide conductors, as well as to develop recommendations for replacing guide devices under conditions of multi-cycle loading from the cage rollers.

контактное взаимодействиеролик клетинаправляющие проводникивентиляционный стволмеханико-математическая модельчисленная модельметод конечных элементовшахтный подъемный комплексcontact interactionelevator rollerguide railsventilation mine shaftmechanical-mathematical modelnumerical modelfinite element methodmine shaft lifting systemReferencesЖуравков, М. А. Контактная задача взаимодействия направляющего ролика с шахтным проводником / М. А. Журавков, М. А. Николайчик, П. С. Маевский // Механика машин, механизмов и материалов. – 2021. – № 3 (56). – С. 83–89. https://doi.org/10.46864/1995-0470-2021-3-56-83-89Zhuravkov M. A., Nikolaitchik M. A., Maevskiy P. S. Contact problem of interaction of a guide roller with a mine conductor. Mekhanika mashin, mekhanizmov i materialov = Mechanics of Machines, Mechanisms and Materials, 2021, no. 3 (56), pp. 83–89 (in Russian). https://doi.org/10.46864/1995-0470-2021-3-56-83-89Horizontal dynamic modeling and vibration characteristic analysis for nonlinear coupling systems of high-speed elevators and guide rails. / D. Song, P. Zhang, Y. Wang [et al.] // Journal of Mechanical Science and Technology. – 2023. – Vol. 37. – P. 643–653. https://doi.org/10.1007/s12206-023-0109-2Song D., Zhang P., Wang Y., Du C., Lu X., Liu K. Horizontal dynamic modeling and vibration characteristic analysis for nonlinear coupling systems of high-speed elevators and guide rails. Journal of Mechanical Science and Technology, 2023, vol. 37, pp. 643–653. https://doi.org/10.1007/s12206-023-0109-2Wang, X. Mechanical model and seismic study of the roller guide–rail assembly in the counterweight system of elevators. / X. Wang, S. Günay, W. Lu // Earthquake Engineering & Structural Dynamics. – 2021. – Vol. 50, № 2. – P. 518–537. https://doi.org/10.1002/eqe.3344Wang X., Günay S., Lu W. Mechanical model and seismic study of the roller guide–rail assembly in the counterweight system of elevators. Earthquake Engineering & Structural Dynamics, 2021, vol. 50, no. 2, pp. 518–537. https://doi.org/10.1002/eqe.3344Самуся, В. И. Компьютерное моделирование и исследование динамики систем «сосуд–армировка» в стволах с нарушенной геометрией / В. И. Самуся, И. С. Ильина, С. С. Ильина // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Геология. Нефтегазовое и горное дело. – 2016. – Т. 15, № 20. – С. 277–285. https://doi.org/1010.15593/2224-9923/2016.20.8Samusia V. I., Iliina I. S., Iliina S. S. Computer modeling and investigation of dynamics of the system “vessel–reinforcement” in shafts with broken geometry. Vestnik Permskogo natsional’nogo issledovatel’skogo politekhnicheskogo universiteta. Geologiya. Neftegazovoe i gornoe delo = Bulletin of PNRPU. Geology. Oil & Gas Engineering & Mining, 2016, vol. 15, no. 20, pp. 277–285 (in Russian). https://doi.org/10.15593/2224-9923/2016.20.8Fiołek, P. Assessment of hoisting conveyance guiding forces based on field acceleration measurements and numerical simulation. / P. Fiołek, J. Jakubowski // Applied Sciences. – 2024. – Vol. 14, iss. 22. – Art. ID 10758. https://doi.org/10.3390/app142210758Fiołek P., Jakubowski J. Assessment of hoisting conveyance guiding forces based on field acceleration measurements and numerical simulation. Applied Sciences, 2024, vol. 14, iss. 22, art. ID 10758. https://doi.org/10.3390/app142210758Zhuravkov, М. А. Analytical model of skip motion taking into account influence of head and balancing ropes / M. A. Zhuravkov, V. P. Savchuk, M. A. Nikolaitchik // Журнал Белорусского государственного университета. Математика. Информатика. – 2021. – № 2. – С. 105–113. https://doi.org/10.33581/2520-6508-2021-2-105-113Zhuravkov M. A., Savchuk V. P., Nikolaitchik M. A. Analytical model of skip motion taking into account influence of head and balancing ropes. Journal of the Belarusian State University. Mathematics and Informatics, 2021, no. 2, pp. 105–113. https://doi.org/10.33581/2520-6508-2021-2-105-113Drzewosz, A. The problem of stability in mechanical systems using the example of mine hoist installations / A. Drzewosz, S. Wolny // Applied Sciences. – 2024. – Vol. 14, iss. 15. – Art. ID 6472. https://doi.org/10.3390/app14156472Drzewosz A., Wolny S. The problem of stability in mechanical systems using the example of mine hoist installations. Applied Sciences, 2024, vol. 14, iss. 15, art. ID 6472. https://doi.org/10.3390/app14156472Nikolaitchik, M. Determination of the skip force effect on guides in mine shaft / M. Nikolaitchik // E3S Web of Conferences. – 2020. – Vol. 201. – Art. ID 01017. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202020101017Nikolaitchik M. Determination of the skip force effect on guides in mine shaft. E3S Web of Conferences, 2020, vol. 201, art. ID 01017. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202020101017Escalona, J. L. Advances in the modeling and dynamic simulation of reeving systems using the arbitrary Lagrangian– Eulerian modal method / J. L. Escalona, N. Mohammadi // Nonlinear Dynamics. – 2022. – Vol. 108. – P. 3985–4003. https://doi.org/10.1007/s11071-022-07357-yEscalona J. L., Mohammadi N. Advances in the modeling and dynamic simulation of reeving systems using the arbitrary Lagrangian–Eulerian modal method. Nonlinear Dynamics, 2022, vol. 108, pp. 3985–4003. https://doi.org/10.1007/s11071-022-07357-yИвановская, А. В. Особенности динамического анализа тяговой системы с конечным натяжением / А. В. Ивановская // Вестник Керченского государственного морского технологического университета. – 2022. – № 1. – С. 37–46. https://doi.org/10.47404/2619-0605_2022_1_37Ivanovskaia A. V. Features of dynamic analysis of the traction system with finite tension. Vestnik Kershenskogo gosudarstvennogo morskogo tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of the Kerch State Maritime Technological University], 2022, no. 1, pp. 37–46 (in Russian). https://doi.org/10.47404/2619-0605_2022_1_37Журавков, М. А. Моделирование динамики движения лифта и противовеса в потоке воздуха вентиляционного шахтного ствола. / М. А. Журавков, М. А Николайчик, И. Н. Карпович // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2025. – № 1. – С. 120–130. https://doi.org/10.15372/FTPRPI20250111Zhuravkov M. A., Nikolaitchik M. A., Karpovich I. N. Modeling Dynamic Behavior of Elevator and Counterweight in Airflow in Ventilation Mine Shaft. Journal of Mining Sciences, 2025, vol. 61, pp. 109–118. https://doi.org/10.1134/s1062739125010119Wu, R. Computational fluid dynamics modeling of rope-guided conveyances in two typical kinds of shaft layouts / R. Wu, Z. Zhu, G. Cao // PLOS One. – 2015. – Vol. 10. – Art. ID e0118268. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0118268Wu R., Zhu Z., Cao G. Computational fluid dynamics modeling of rope-guided conveyances in two typical kinds of shaft layouts. PLOS One, 2015, vol. 10, art. ID e0118268. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0118268Simulation of the lateral oscillation of rope-guided conveyance based on fluid-structure interaction. / R. Wu, Z. Zhu, G. Chen [et al.] // Journal of Vibroengineering. – 2014. – Vol. 16. – P. 155–163.Wu R., Zhu Z., Chen G., Cao G., Li W. Simulation of the lateral oscillation of rope-guided conveyance based on fluidstructure interaction. Journal of Vibroengineering, 2014, vol. 16, pp. 155–163.Улучшение проветривания тупиковой выработки путем увеличения начальной скорости воздуха в вентиляционной струе / Б. П. Казаков, А. В. Шалимов, О. С. Паршаков, А. В. Богомягков // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. – 2022. – № 1. – С. 112–118.Kazakov B. P., Shalimov A. V., Parshakov O. S., Bogomyagkov A. V. Blind Roadway Ventilation Improvement by Means of Increasing Initial Air Flow Velocity. Journal of Mining Science, 2022, vol. 58, no. 1, pp. 98–104. https://doi.org/10.1134/s1062739122010124Computational study on aerodynamic characteristics and behaviour of S5010 airfoil / M. H. F. Yazik, M. Tamagawa, M. T. H. Sultan, A. Adzrif // Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences. – 2024. – Vol. 66, iss. 1. – P. 41–52. – URL: https://semarakilmu.com.my/journals/index.php/fluid_mechanics_thermal_sciences/article/view/3720Yazik M. H. F., Tamagawa M., Sultan M. T. H., Adzrif A. Computational study on aerodynamic characteristics and behaviour of S5010 airfoil. Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences, 2024, vol. 66, iss. 1, pp. 41–52. Available at: https://semarakilmu.com.my/journals/index.php/fluid_mechanics_thermal_sciences/article/view/3720Комплексное исследование многоциклового контактного взаимодействия системы «направляющий ролик – шахтный проводник» / М. А. Журавков, А. В. Богданович, М. А. Николайчик [и др.] // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. – 2022. – № 4. – C. 5–18. https://doi.org/10.36535/0869-4176-2022-04-1Zhuravkov M. A., Bogdanovich A. V., Nikolaitchik M. A., Makhutov N. A., Gadenin M. M., Reznikov D. O. Comprehensive study of multi-cycle contact interaction of the “guide roller – mine conductor” system. Problemy bezopasnosti i chrezvychainykh situatsii = Safety and Emergencies Problems, 2022, no. 4, pp. 5–18 (in Russian). https://doi.org/10.36535/0869-4176-2022-04-1Design and analysis of engine timing silent chain system / Y. Cheng, S. Yin, C. Meng [et al.] // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. – 2016. – Vol. 230, iss. 13. – P. 2225–2234. https://doi.org/10.1177/0954406215590643Cheng Y., Yin S., Meng C., Wang X., Liu H. Design and analysis of engine timing silent chain system. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science, 2016, vol. 230, iss. 13, pp. 2225–2234. https://doi.org/10.1177/0954406215590643Gizicki, M. Classification and recognition of roller bearing damage in lift installations using supervised machine learning and vibration analysis / M. Gizicki, S. Kaczmarczyk, R. Smith // 14th Symposium on Lift & Escalator Technologies, 20–21 September 2023. – P. 65–72. URL: https://liftescalatorlibrary.org/paper_indexing/papers/00000533.pdfGizicki M., Kaczmarczyk S., Smith R. Classification and recognition of roller bearing damage in lift installations using supervised machine learning and vibration analysis. 14th Symposium on Lift & Escalator, 20–21 September 2023, pp. 65–72. Available at: https://liftescalatorlibrary.org/paper_indexing/papers/00000533.pdfHu, D. Research on vibration reduction characteristics of high-speed elevator with rolling guide shoes based on hydraulic damping actuator / D. Hu, Q. Wang, J. Zhan // Actuators. – 2024. – Vol. 13, iss. 9. – Art. ID 356. https://doi.org/10.3390/act13090356Hu D., Wang Q., Zhan J. Research on vibration reduction characteristics of high-speed elevator with rolling guide shoes based on hydraulic damping actuator. Actuators, 2024, vol. 13, iss. 9, art. ID 356. https://doi.org/10.3390/act13090356Roller–rail parameters on the transverse vibration characteristics of super-high-speed elevators / S. Cao, R. Zhang, S. Zhang [et al.] // Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering. – 2019. – Vol. 43, № 4. – P. 535–543. https://doi.org/10.1139/tcsme-2018-0083Cao S., Zhang R., Zhang S., Qiao S., Cong D., Dong M. Roller–rail parameters on the transverse vibration characteristics of super-high-speed elevators. Transactions of the Canadian Society for Mechanical Engineering, 2019, vol. 43, no. 4, pp. 535–543. https://doi.org/10.1139/tcsme-2018-0083Марочник сталей и сплавов / сост.: А. С. Зубченко, М. М. Колосков, Ю. В. Каширский [и др.]; под общ. ред. А. С. Зубченко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 2003. – 784 с.Zubchenko A. S., Koloskov M. M., Kashirskiy Yu. V. [et al.], (compilers). Steel and Alloy Directory. 2nd ed. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2003. 784 p. (in Russian).Wang, H. Prediction of tire-pavement contact stresses and analysis of asphalt pavement responses: a decoupled approach / H. Wang, I. L. Al-Qadi // Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists. – 2011. – Vol. 80. – P. 289–316.Wang H., Al-Qadi I. L. Prediction of tire-pavement contact stresses and analysis of asphalt pavement responses: a decoupled approach. Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists, 2011, vol. 80, pp. 289–316.Основы трибологии (трение, износ, смазка): учеб. для техн. вузов / А. В. Чичинадзе, Э. Д. Браун, Н. А. Буше [и др.]; под общ. ред. А. В. Чичинадзе. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 2001. – 664 с.Chichinadze A. V., Braun E. D., Bushe N. A., Buyanovskii I. A., Gekker F. R., Goryacheva I. G. [et al.]. Fundamentals of Tribology (Friction, Wear, Lubrication). 2nd ed. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2001. 664 p. (in Russian).Rubber friction: The contribution from the area of real contact / A. Tiwari, N. Miyashita, N. Espallargas, B. N. J. Persson // The Journal of Chemical Physics. – 2018. – Vol. 148, iss. 22. – Art. ID 224701. https://doi.org/10.1063/1.5037136Tiwari A., Miyashita N., Espallargas N., Persson B. N. J. Rubber friction: The contribution from the area of real contact. The Journal of Chemical Physics, 2018, vol. 148, iss. 22, art. ID 224701. https://doi.org/10.1063/1.5037136

The authors declare that there are no conflicts of interest present.