DOI: https://doi.org/10.15802/stp2020/208202

### METHODOLOGY FOR ENGINEERING CALCULATION OF STABILITY COEFFICIENT AGAINST WHEEL CLIMBING ON THE RAIL

D. M. Kurhan, O. V. Hubar, M. O. Havrilov

#### Abstract

Purpose. One of the indicators of the track and rolling stock interaction, non-observance of which can result in a traffic safety violation, namely to derailment, is a condition for ensuring stability against the wheel flange climbing onto the rail head. The aim of this work is to create a methodology for practical engineering calculation of the resistance coefficient against the wheel flange climbing onto the rail head. The described methodology will have complete information both from calculation formulas and from reference materials, to eliminate the need to attract additional sources and special software. Methodology. The main objective of the implementation of this purpose is to bring the calculation of horizontal forces to the engineering level. Due to the complexity of the interaction process between the track and the rolling stock and the need to take into account a large number of factors that have an effect on the result, as a rule, complex dynamic models are used to determine horizontal forces. A possible solution lies in the assumption that for a specific type of rolling stock, the horizontal force can be calculated by linear dependence on the value of the unbalanced acceleration. For this, an analytical technique for calculating horizontal forces was used. Findings. The authors determined the missing coefficients for calculating the horizontal force depending on the unbalanced acceleration for some types of shunting locomotives and for a freight car taking into account its load level. Originality. In the work, scientific and practical approaches for the interaction analysis of the track and rolling stock in the horizontal plane acquired further development. Practical value. The proposed step-by-step methodology for calculating the stability coefficient makes it possible at the engineering level to carry out a practical analysis of ensuring the safety margin against the wheel flange climbing onto the rail head, which is necessary when investigating the causes of rolling stock derailment and for a number of other tasks related to movement in curved track sections.

#### Keywords

railway track; curve; horizontal force; lateral force; stability coefficient; wheel climbing onto the rail; unbalanced acceleration; track and rolling stock interaction; traffic safety

#### Full Text:

PDF (Українська) HTML (Українська)

#### References

Danilenko, E. I. (2010). Zaliznychna koliia: pidruchnyk dlia vyshchykh navchalnykh zakladiv. (Vol. 2). Kyiv: Inpres. (in Ukrainian)

Ershkov, O. P. (1966). Raschety poperechnykh ghoryzontaljnykh syl v kryvykh. Sbornik trudov VNIIZhT. Moscow: Transport, 301. (in Russian)

Instrukcija z ulashtuvannja ta utrymannja koliji zaliznycj Ukrajiny, 456 TsP-0269 (2012). (in Ukranian)

Korotenko, M. L., Klimenko, I. V., & Panasenko, V. Ja. (2013). Bezopasnostj ot skhoda kolesa s reljsov y sovershenstvovanye konstrukcyj podvyzhnogho sostava. Dnepropetrovsk. (in Russian)

Kuzishyn, A. Y., & Batig, A. V. (2018). Use of additional assessment criterion for traffic safety against railway wheel derailment for forensic railway transport examination. Theory and Practice of Forensic Science and Criminalistics, 18, 454-461. DOI: https://doi.org/10.32353/khrife.2018.51 (in Ukrainian)

Kurhan, D. M., & Gubar, O. V. (2016). Assessment of Safety While Ensuring Stability to Mounting of a Wheel Flange on a Rail. Electromagnetic compatibility and safety on railway transport, 11, 65-72. DOI: https://doi.org/10.15802/ecsrt2016/91516 (in Ukrainian)

Kurhan, M. B., Bajdak, S. Ju., & Luzhycjkyj, S. Ju. (2014). Umovy pidvyshchennia bezpeky rukhu poizdiv v kryvykh diliankakh zaliznychnoi kolii. Electromagnetic compatibility and safety on railway transport, 8, 41-49. DOI: https://doi.org/10.15802/ecsrt2014/57181 (in Ukrainian)

Metodychni vkazivky shhodo porjadku sluzhbovogho rozsliduvannja prychyn skhodzhenj rukhomogho skladu z rejok na zaliznycjakh Ukrajiny, 251 TsRB-0036 (2012). (in Ukranian)

Normy dopustymykh shvydkostej rukhu rukhomogho skladu po zaliznychnykh kolijakh derzhavnoji administraciji zaliznychnogho transportu Ukrajiny shyrynoju 1520 mm, 72 TsP-0235 (2012). (in Ukranian)

Pravyla vyznachennja pidvyshhennja zovnishnjoji rejky i vstanovlennja dopustymykh shvydkostej v kryvykh diljankakh koliji, 52 TsP-0236 (2011). (in Ukranian)

Pravyla rozrakhunkiv zaliznychnoji koliji na micnistj i stijkistj, 64 TsP-0117 (2004). (in Ukranian)

Sokol, E. N. (2011). Zheleznodorozhno-transportnoe proisshestvie i ego mekhanizm (Sudebnaya ekspertiza. Ele-menty teorii i praktiki): monografiya. Lviv: PAIS. (in Russian)

Tatarinova, V. A., & Neduzha, L. O. (2018). Theoretical Research of the Traction Vehicle Motion. Electromagnetic compatibility and safety on railway transport, 16, 121-126. DOI: https://doi.org/10.15802/ecsrt2018/172691 (in Russian)

Tekhnichni vkazivky shhodo ocinky stanu rejkovoji koliji za pokaznykamy kolijevymirjuvaljnykh va-ghoniv ta zabezpechennja bezpeky rukhu pojizdiv pry vidstupakh vid norm utrymannja rejkovoji koliji, 25 TsP-0267 (2012). (in Ukranian)

Chernyshov, M. A. (1967). Praktycheskye metody rascheta puty. Moscow: Transport. (in Russian)

Shakhunyants, G. M. (1987). Zheleznodorozhnij putj: uchebnyk dlja vuzov. Moscow: Transport. (in Russian)

Shvets, A. O. (2019). Gondola cars dynamics from the action of longitudinal forces. Science and Transport Progress, 6(84), 142-155. DOI: https://doi.org/10.15802/stp2019/195821 (in Ukrainian)

Shvets, A. O. (2020). Stability of freight cars under the action of compressive longitudinal forces. Science and Transport Progress, 1(85), 119-137. DOI: https://doi.org/10.15802/stp2020/199485 (in Ukrainian)

Ágh, C. (2017). Vasúti kerékpár futási instabilitása a pályadiagnosztika szemszögéből. Sínek világa, 6, 17-20. (in Hungarian)

Fischer, S. (2009). Comparison of railway track transition curves. Pollack Periodica, 4(3), 99-110. DOI: https://doi.org/10.1556/pollack.4.2009.3.9 (in English)

Kovalchuk, V., Kuzyshyn, A., Kostritsa, S., Sobolevska, Yu., Batig, A., & Dovganiuk, S. (2018). Improving a methodology of theoretical determination of the frame and directing forces in modern diesel trains. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6/7(96), 19-25. DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.149838 (in English)

Rezvani, M. A., & Mazraeh, A. (2017). Dynamics and stability analysis of a freight wagon subjective to the railway track and wheelset operational conditions. European Journal of Mechanics-A/Solids, 61, 22-34. DOI: https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2016.08.011 (in English)

Shatunov, O. V., Shvets, A. O., Kirilchuk, O. A., & Shvets, A. O. (2019). Research of wheel-rail wear due to non-symmetrical loading of a flat car. Science and Transport Progress, 4(82), 102-117. DOI: https://doi.org/10.15802/stp2019/177457 (in English)

Shvets, A., Zhelieznov, K., Аkulov, A., Zabolotnyi, O., & Chabaniuk, Ye. (2015). Determination of the issue concerning the lift resistance factor of lightweight car. Science and Transport Progress, 6(60), 134-148. DOI: https://doi.org/10.15802/stp2015/57098 (in English)

Xu, L., Zhai, W., & Chen, Z. (2018). On use of characteristic wavelengths of track irregularities to predict track portions with deteriorated wheel/rail forces. Mechanical Systems and Signal Processing, 104, 264-278. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2017.10.038 (in English)

#### GOST Style Citations

1. Даніленко Е. І. Залізнична колія : підруч. для вищ. навч. закл. Київ : Інпрес, 2010. Т. 2. 456 с.
2. Ершков О. П. Расчеты поперечных горизонтальных сил в кривых : сб. тр. ВНИИЖТа. Москва : Транспорт, 1966. № 301. 235 с.
3. Інструкція з улаштування та утримання колії залізниць України : ЦП-0269. [Чинний від 2012-03-01]. Київ, 2012. 456 с.
4. Коротенко М. Л., Клименко И. В., Панасенко В. Я. Безопасность от схода колеса с рельсов и совершенствование конструкций подвижного состава : монография. Днепропетровск, 2013. 220 с.
5. Кузишин А. Я., Батіг А. В. Використання додаткового критерію оцінювання безпеки руху від сходу колеса з рейки в судовій залізнично-транспортній експертизі. Tеорія та практика судової експертизи і криміналістики. 2018. № 18. С. 454–460. DOI: https://doi.org/10.32353/khrife.2018.51
6. Курган Д. М., Губар О. В. Оцінка безпеки руху за умови забезпечення стійкості проти вкочування гребеня колеса на головку рейки. Електромагнітна сумісність та безпека на залізничному транспорті. 2016. № 11. С. 65–72. DOI: https://doi.org/10.15802/ecsrt2016/91516
7. Курган М. Б., Байдак С. Ю., Лужицький С. Ю. Умови підвищення безпеки руху поїздів в кривих ділянках залізничної колії. Електромагнітна сумісність та безпека на залізничному транспорті. 2014. № 8. С. 41–49. DOI: https://doi.org/10.15802/ecsrt2014/57181
8. Методичні вказівки щодо порядку службового розслідування причин сходжень рухомого складу з рейок на залізницях України : ЦРБ-0036. [Чинний від 2012-06-21]. Київ : НВП Поліграфсервіс, 2012. 251 с.
9. Норми допустимих швидкостей руху рухомого складу по залізничних коліях державної адміністрації залізничного транспорту України шириною 1520 мм : ЦП-0235. [Чинний від 2010-12-14]. Київ : НВП Поліграфсервіс, 2012. 72 с.
10. Правила визначення підвищення зовнішньої рейки і встановлення допустимих швидкостей в кривих ділянках колії : ЦП-0236. [Чинний від 2010-12-14]. Київ, 2011. 52 с.
11. Правила розрахунків залізничної колії на міцність і стійкість : ЦП-0117. [Чинний від 2004-12-13]. Київ : Транспорт України, 2004. 64 с.
12. Сокол Э. Н. Железнодорожно-транспортное происшествие и его механизм (Судебная экспертиза. Элементы теории и практики) : монография. Львів : ПАІС, 2011. 376 с.
13. Татарінова В. А., Недужа Л. О. Теоретичні дослідження руху одиниці рухомого складу. Електромагнітна сумісність та безпека на залізничному транспорті. 2018. № 16. С. 121–126. DOI: https://doi.org/10.15802/ecsrt2018/172691
14. Технічні вказівки щодо оцінки стану рейкової колії за показниками колієвимірювальних вагонів та забезпечення безпеки руху поїздів при відступах від норм утримання рейкової колії : ЦП-0267. [Чинний від 1996-01-17]. Київ, 2012. 25 с.
15. Чернышов М. А. Практические методы расчета пути. Москва : Транспорт, 1967. 236 с.
16. Шахунянц Г. М. Железнодорожный путь : учебник для вузов ж.–д. трансп. Москва : Транспорт, 1987. 479 с.
17. Швець А. О. Динаміка піввагонів від дії поздовжніх сил. Наука та прогрес транспорту. 2019. № 6 (84). С. 142–155. DOI: https://doi.org/10.15802/stp2019/195821
18. Швець А. О. Стійкість вантажних вагонів у разі дії стискних поздовжніх сил. Наука та прогрес транспорту. 2020. № 1 (85). С. 119–137. DOI: https://doi.org/10.15802/stp2020/199485
19. Ágh C. Vasúti kerékpár futási instabilitása a pályadiagnosztika szemszögéből. Sínek világa. 2017. Vol. 6. P. 17–20.
20. Fischer S. Comparison of railway track transition curves. Pollack Periodica. 2009. Vol. 4. Iss 3. P. 99–110. DOI: https://doi.org/10.1556/pollack.4.2009.3.9
21. Kovalchuk V., Kuzyshyn A., Kostritsa S., Sobolevska Yu., Batig A., Dovganiuk S. Improving a methodology of theoretical determination of the frame and directing forces in modern diesel trains. Eastern-European
Journal of Enterprise Technologies.
2018. Vol. 6/7 (96). P. 19–25. DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.149838
22. Rezvani M. A., Mazraeh A. Dynamics and stability analysis of a freight wagon subjective to the railway track and wheelset operational conditions. European Journal of Mechanics - A/Solids. 2017. Vol. 61. P. 22–34. DOI: https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2016.08.011
23. Shatunov O. V., Shvets A. O., Kirilchuk O. A., Shvets A. O. Research of wheel-rail wear due to non-symmetrical loading of a flat car. Science and Transport Progress. 2019. № 4 (82) P. 102–117. DOI: https://doi.org/10.15802/stp2019/177457
24. Shvets A., Zhelieznov K., Аkulov A., Zabolotnyi O., Chabaniuk Ye. Determination of the issue concerning the lift resistance factor of lightweight car. Science and Transport Progress. 2015. №. 6 (60). P. 134–148. DOI: https://doi.org/10.15802/stp2015/57098
25. Xu L., Zhai W., Chen Z. On use of characteristic wavelengths of track irregularities to predict track portions with deteriorated wheel/rail forces. Mechanical Systems and Signal Processing. 2018. Vol. 104. P. 264–278. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2017.10.038