analysis and optimization of container lifting device … · i declare that the thesis entitled...

134
ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT A Thesis submitted to Gujarat Technological University for the Award of Doctor of Philosophy in Mechanical Engineering By UTPAL VINODCHANDRA SHAH Enrollment No. 139997119018 under supervision of Dr. (Prof.) G.H.Upadhyay GUJARAT TECHNOLOGICAL UNIVERSITY AHMEDABAD July 2018

Upload: others

Post on 18-Mar-2020

0 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT

A Thesis submitted to Gujarat Technological University 

for the Award of 

Doctor of Philosophy 

in 

Mechanical Engineering 

By

UTPAL VINODCHANDRA SHAH Enrollment No. 139997119018

under supervision of 

Dr. (Prof.) G.H.Upadhyay

 

GUJARAT TECHNOLOGICAL UNIVERSITY AHMEDABAD

July 2018 

Page 2: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT

A Thesis submitted to Gujarat Technological University 

for the Award of 

Doctor of Philosophy 

in 

Mechanical Engineering 

By

UTPAL VINODCHANDRA SHAH Enrollment No. 139997119018

under supervision of 

Dr. (Prof.) G.H.Upadhyay

 

GUJARAT TECHNOLOGICAL UNIVERSITY AHMEDABAD

July 2018 

Page 3: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

© UTPAL VINODCHANDRA SHAH

Page 4: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

DECLARATION

I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER

LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT” submitted by me

for the degree of Doctor of Philosophy is the record of research work carried out by me

during the period from June 2014 to July 2018 under the supervision of Dr. (Prof.) G. H.

Upadhyay and this has not formed the basis for the award of any degree, diploma,

associateship, fellowship, titles in this or any other University or other institution of higher

learning.

I further declare that the material obtained from other sources has been duly acknowledged

in the thesis. I shall be solely responsible for any plagiarism or other irregularities, if

noticed in the thesis.

Signature of the Research Scholar: …………………………… Date: 25-07-2018

Name of Research Scholar: UTPAL VINODCHANDRA SHAH

Place : Ahmedabad

Page 5: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

CERTIFICATE

I certify that the work incorporated in the thesis “ANALYSIS AND OPTIMIZATION

OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE

MANAGEMENT” submitted by Shri UTPAL VINODCHANDRA SHAH was

carried out by the candidate under my supervision/guidance. To the best of my

knowledge: (i) the candidate has not submitted the same research work to any other

institution for any degree/diploma, Associateship, Fellowship or other similar titles (ii)

the thesis submitted is a record of original research work done by the Research Scholar

during the period of study under my supervision, and (iii) the thesis represents

independent research work on the part of the Research Scholar.

Signature of Supervisor: ……………………………… Date: 25-07-2018

Name of Supervisor: Dr. (Prof.) G. H. Upadhyay

Place: Ahmedabad

Page 6: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

T

M

(P

M

(

r

a

Su

D

CO

This is to

139997119

Mechanica

Please tick the

He/She

M.Phil Cou

He/S

(successful

He/S

requiremen

as follows-

Grade Ob

upervisor’s

r. (Prof.) G

OURSE-W

o certify

018 is a

al Engineeri

e relevant opt

e has been

urse)

She has b

lly complet

She has su

nt for the aw

-

btained in R

(PH00

B

Sign

. H. Upadhy

WORK

that UTP

PhD scho

ing of Guja

tion(s))

exempted

been exem

ted during M

uccessfully

ward of PhD

Research Me

1)

BC

yay 

COMPL

PAL VINO

olar enroll

arat Techno

from the co

mpted from

M.Phil Cou

completed

D Degree. H

ethodology

LETION

ODCHAND

led for Ph

ological Un

ourse-work

m Researc

urse)

d the PhD

His/ Her pe

Grade Ob

N CERTI

DRA SHAH

hD progra

niversity, A

k (successfu

ch Method

D course w

erformance

btained in Se(Core Sub

(PH00

AB

IFICAT

H, enrolm

am in the

Ahmedabad

ully comple

dology Co

work for

e in the cou

elf Study Cobject)

02)

TE

ment no.

branch

d.

eted during

ourse only

the partial

urse work is

ourse

g

y

l

s

Page 7: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Originality Report Certificate

It is certified that PhD Thesis titled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF

CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

By UTPAL VINODCHANDRA SHAH has been examined by us. We undertake the

following:

a. Thesis has significant new work / knowledge as compared already published or are

under consideration to be published elsewhere. No sentence, equation, diagram,

table, paragraph or section has been copied verbatim from previous work unless it

is placed under quotation marks and duly referenced.

b. The work presented is original and own work of the author (i.e. there is no

plagiarism). No ideas, processes, results or words of others have been presented as

Author own work.

c. There is no fabrication of data or results which have been compiled / analysed.

d. There is no falsification by manipulating research materials, equipment or

processes, or changing or omitting data or results such that the research is not

accurately represented in the research record.

e. The thesis has been checked using “Turnitin Plagiarism Checker”(copy of

originality report attached) and found within limits as per GTU Plagiarism Policy

and instructions issued from time to time (i.e. permitted similarity index <=25%). Signature of the Research Scholar: …………………………… Date: 25 -07-2018

Name of Research Scholar: UTPAL VINODCHANDRA SHAH

Place :Ahmedabad Signature of Supervisor: ……………………………… Date: 25 -07-2018

Name of Supervisor: Dr. (Prof.) G. H. Upadhyay

Place: Ahmedabad

Page 8: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

 

 

 

Page 9: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

 

 

 

 

Page 10: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

 

Page 11: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

PhD THESIS Non-Exclusive License to

GUJARAT TECHNOLOGICAL UNIVERSITY

In consideration of being a PhD Research Scholar at GTU and in the interests of the

facilitation of research at GTU and elsewhere, I, UTPAL VINODCHANDRA SHAH

having Enrollment No. 139997119018 hereby grant a non-exclusive, royalty free and

perpetual license to GTU on the following terms:

a) GTU is permitted to archive, reproduce and distribute my thesis, in whole or in part,

and/or my abstract, in whole or in part ( referred to collectively as the “Work”)

anywhere in the world, for non-commercial purposes, in all forms of media;

b) GTU is permitted to authorize, sub-lease, sub-contract or procure any of the acts

mentioned in paragraph (a);

c) GTU is authorized to submit the Work at any National / International Library, under

the authority of their “Thesis Non-Exclusive License”;

d) The Universal Copyright Notice (©) shall appear on all copies made under the

authority of this license;

e) I undertake to submit my thesis, through my University, to any Library and Archives.

Any abstract submitted with the thesis will be considered to form part of the thesis.

f) I represent that my thesis is my original work, does not infringe any rights of others,

including privacy rights, and that I have the right to make the grant conferred by this

non-exclusive license.

g) If third party copyrighted material was included in my thesis for which, under the terms

of the Copyright Act, written permission from the copyright owners is required, I have

obtained such permission from the copyright owners to do the acts mentioned in

paragraph (a) above for the full term of copyright protection.

Page 12: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

h) I retain copyright ownership and moral rights in my thesis, and may deal with the

copyright in my thesis, in any way consistent with rights granted by me to my

University in this non-exclusive license.

i) I further promise to inform any person to whom I may hereafter assign or license my

copyright in my thesis of the rights granted by me to my University in this non-

exclusive license.

j) I am aware of and agree to accept the conditions and regulations of PhD including all

policy matters related to authorship and plagiarism.

Signature of the Research Scholar: Name of Research Scholar: UTPAL VINODCHANDRA SHAH Date: 25-07-2018 Place: Ahmedabad Signature of Supervisor: Name of Supervisor:Dr. (Prof.) G. H. Upadhyay Date: 25-07-2018 Place: Ahmedabad Seal:  

   

Page 13: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Thesis Approval Form The viva-voce of the PhD Thesis submitted by Shri UTPAL VINODCHANDRA SHAH

(Enrollment No. 139997119018) entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF

CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT” was

conducted on 25 – 07 – 2018, Wednesday at Gujarat Technological University.

(Please tick any one of the following option)

The performance of the candidate was satisfactory. We recommend that he/she be

awarded the PhD degree.

Any further modifications in research work recommended by the panel after 3 months

from the date of first viva-voce upon request of the Supervisor or request of

Independent Research Scholar after which viva-voce can be re-conducted by the same

panel again.

(briefly specify the modifications suggested by the panel)

The performance of the candidate was unsatisfactory. We recommend that he/she

should not be awarded the PhD degree.

(The panel must give justifications for rejecting the research work)

----------------------------------------------------- -----------------------------------------------------Name and Signature of Supervisor with Seal 1) (External Examiner 1) Name and Signature ------------------------------------------------------- -------------------------------------------------------2) (External Examiner 2) Name and Signature 3) (External Examiner 3) Name and Signature 

Page 14: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

I  

ABSTRACT 

In  all  mega  cities  and  municipal  corporations,  HCV  chassis  are  used  for  loading  and 

unloading  the  containers  having  size  more  than  5.5  cubic  meters.  But  for  all  towns  and 

nagarpalikas, these may not be preferred due to space limitations and narrow size roads. So 

in the case of towns and nagarpalikas, tractor driven container  lifting device may be used, 

which will lift up to 4.5 cubic meter containers. They can use containers of up to 4 ‐ 4.5 cubic 

meters  capacity,  which  will  make  optimum  use  of  the  tractors.  Even  for  more  space 

limitations small containers mounted on LCVs chassis can also be used. 

It has been observed that mostly all municipal corporations are using 5.5 and 6 cubic meter 

containers operated by a truck as the main source of waste collection and transportation. 

But at ULBs, small towns and villages, it is very difficult to operate truck operated containers 

because of following reasons: 

1) Quantity of Solid waste to be handled is less as compare to Municipal Corporation. 

2) Cost of truck operated container lifting device is also very high. 

3) Narrow  size  of  the  roads  and  space  limitations  also  do  not  allow  using  such  solid 

waste handling systems. 

In this work, small container having capacity of 4.5 cubic meters is fabricated so that it can 

be  operated  by  tractor  operated  container  lifting  device.  The  idea  was  to  design  and 

develop new container lifting device that can be used to handle 4.5 cubic meter container 

which is to be operated by tractor. As tractor is used to operate container lifting device, in 

the spare time it can be used to operate trolleys, water tanker etc. at the Nagarpalikas.  In 

short,  tractor  can  be  used  to  perform  multiple  activities  at  Nagarpalika/ULB  level.  This 

combination  can  be made  at  less  than  half  of  cost  in  comparison  to  the  truck  operated 

container lifting device. 

The main  focus  of  the  research  work  is  the  design  and  development  of  container  lifting 

device that can handle 4.5 cubic meter container with the help of  tractor. Work has been 

carried out for design, failure analysis, vibration and FEA of various components of CLD, i.e. 

hydraulic  cylinder,  link  chain,  different  joints,  cross  bars, mechanical  jack,  leaf  spring  etc. 

Hydraulic  cylinder  is  the  most  critical  components  of  CLD,  which  is  further  optimized 

considering single and multi‐objective optimization problem using MATLAB. 

Page 15: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

II  

The  optimized  design  and  modifications  suggested  in  this  work  related  to  the  CLD  are 

successfully implemented by GUDC and it is used in all ULBs in the state of Gujarat for solid 

waste management. This CLD system is used to handle 4.5 cubic meter container with the 

help  of  tractor  to  collect  and  transport  municipal  solid  waste  by  various  Nagarpalikas  in 

Gujarat State. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 16: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

III  

ACKNOWLEDGEMENT 

I  am  indebted  to  various  people  and  organizations  during  my  doctoral  research  since  I 

received this opportunity in 2013. I would like to express my deepest gratitude to Dr. (Prof.) 

G. H. Upadhyay,  (Professor & Head, Mechanical  Engineering Department,  L. D.  College of 

Engineering,  Ahmedabad)  for  his  great  support  and  invaluable  guidance  throughout  my 

research. I remember during my post graduation study when I had interaction with him. It 

was then; I was inspired to work for Ph.D. under his guidance.  

I would  like  to extend my gratitude  to Dr.(Prof.) A. B. Dhruv, Dr.  (Prof.)  J. A. Vadher, DPC 

members of research monitoring committee for this research for their valuable suggestions. 

Their  deep  insights  into  the  problem  and  ability  to  provide  guidance  and  solutions  have 

been of immense value in improving the quality of my research work at all stages. 

Under  the broad vision of Government of Gujarat officials  from GUDC,  they  formed  team 

called  TAG  (Technical  Approval  Group)  since  year  2008  for  the  MSWM  (Municipal  Solid 

Waste Management)  in  the  state of Gujarat.  In  that  team  I  got a  chance  to work with all 

technical experts from different municipal corporations, like Mr. Vijay Mistry, (Joint Director 

(Mechanical),  Ahmedabad  Municipal  Corporation)  where  I  learned  a  lot  regarding 

equipments  used  for MSWM  (Municipal  Solid Waste Management).  I  recognize  that  this 

research  would  not  have  been  possible  without  the  support  of  GUDC,  AMC  and  AUDA 

officials from the Government of Gujarat and I express my sincere thanks to them. 

I  would  like  to  express  a  deep  sense  of  gratitude  to  my  respected  Dr.  G.  P.  Vadodaria 

(Principal, L D College of Engineering, Ahmedabad), Dr. M N Patel (Ex – Principal, L D College 

of  Engineering  &  Ex  –  Vice  Chancellor  Gujarat  University),  Dr.(Prof.)  A.  M.  Prabhakar 

(Principal,  GEC,  Modasa)  for  allowing  me  to  utilize  the  resources  of  institute  and  for 

continuous support.  

I  would  like  to  express  my  deepest  sense  of  gratitude  for  support,  continuous  advice, 

intelligent  approach,  constructive  criticism,  whole  hearted  and  ever  available  help  and 

encouragement throughout the Ph.D. program by Dr.  (Prof.) B.  J. Shah, Prof. G. B. Modha 

and Dr. (Prof.) B. C. Khatri.  

Page 17: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

IV  

Special thanks also go to Prof. S. P. Patel, Prof. P.D. Patel and Prof. R. J. Jani for encouraging 

and supporting me to complete this research work.  

I  also  acknowledge  Shri D. N.  Shah and other workshop  staff  for  constant  support during 

vibration analysis of hydraulic cylinders of CLD using FFT analyser to complete this research 

work.  

Last  but  not  least  I would  like  to  express my  deep  sense  of  gratitude  to my  parents  and 

family members whose support in all time made me mentally free to concentrate my thesis 

work.  

 

 

UTPAL VINODCHANDRA SHAH 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 18: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

V  

TABLE OF CONTENT  Chapter       Title                      Page No. No. 

Abstract                    I 

Acknowledgement                III 

Table of content                  V 

List of Abbreviations                VIII 

List of Symbols                  IX 

List of Figures                  X 

List of Tables                  XIII  

1. Introduction                  1 

1.1  Introduction for municipal solid waste management      1 

1.2 Solid waste management in Indian scenario        2 

1.3 MSW – A growing challenge            5 

1.4 Transportation of Waste              5 

1.5 Transport of Waste in Open Vehicles          6 

1.6 Major drawbacks of the SWM transport system        7 

1.7 Introduction to Container Lifting Device used for Solid Waste            8 

Management 

1.8 Objectives of the study              9 

1.9 Scope of the work                9 

1.10 Description of the research work            9 

1.11 Tools to be used                10 

2.  Review of literature                11 

2.1  Introduction to literature review                11 

2.2  Literature Review on Solid Waste Management         11 

2.3  Literature review on Design and FEA of CLD         13 

2.4  Literature review on Optimization of hydraulic cylinders     19 

2.5     Performance problem identification through survey      21  

2.6  Research Gap                 22 

3.  Design Methodology                 23 

  3.1     Introduction                 23 

Page 19: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

VI  

Chapter       Title                       Page No. No. 

3.2  Design of Hydraulic Cylinder             23 

3.2.1  Material used for Hydraulic Cylinder          24 

3.2.2  Theoretical Design of Cylinder Tube          24 

3.2.3   Design of Thick Cylinder            25 

3.3   Theoretical Design of Piston and Piston Rod        26 

3.4   Design of Cross‐Rod               26 

3.5   Design of Rear Mechanical Jack of CLD Model        27 

 3.5.1  Loading location              27 

 3.5.2   Design of welded joint            29 

 3.5.3   Design of locking pin             29 

3.6   Design of leaf spring               29 

3.6.1   Materials for leaf spring            32 

4.  Design calculations                33 

4.1   Design calculations – Anchor pin for 4.5 cubic meter container    33 

4.2   Design calculations of hydraulic cylinder           36 

4.3  Design for pin joint                38 

4.4  Design Calculation of Cross‐Rod            39 

4.5  Design calculation for Rear mechanical Jack         40 

4.6    Design calculations of leaf spring for CLD model        42 

4.7   Selection of hoisting chain link for container lifting      44 

4.7.1   Materials for chain link            45 

5.  Modelling and analysis of container lifting device        47 

5.1  3D modelling                 47 

5.1.1   About SolidWorks 2014            47 

5.2   Finite element analysis (FEA)            47 

5.3  Transient Structural Analysis of Container Lifter Model in Ansys      48 

5.3.1   Steps for transient analysis in Ansys Workbench      49 

5.4  Dynamic Analysis of Container Lifting Device        52 

5.4.1   Rigid dynamic analysis of CLD model         54 

      5.4.2   Transient dynamic analysis of CLD model        57 

5.5   Static Analysis of Leaf Spring            65 

Page 20: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

VII  

Chapter       Title                       Page No. No. 

5.6   Static Analysis of Mechanical Jack            67 

5.7   FFT Analyzer used for vibration measurement of hydraulic cylinder  68 

5.8   OMNITREND software and its applications         72 

5.9   VIBXPERT – FFT (Fast Fourier Transform) data collector and signal   73 

         Analyzer 

6.  Optimization in Hydraulic Cylinder            77 

6.1   Introduction                 77 

6.2   Optimization Technique – Genetic Algorithm        78 

6.2.1   Outline of genetic algorithm            79 

6.3   Optimization in Hydraulic Cylinder Design – A Case Study      80 

6.4  Single Objective Optimization Problem – Nonlinear Constrained                 82 

Minimization 

6.5  Multi Objective Optimization using Genetic Algorithm      83 

6.6  Difference with Single objective optimization        84 

6.6.1   Two goals instead of one            85 

6.6.2   Dealing with two search spaces          85 

6.6.3   No artificial fix‐ups              86 

6.7   Multi – objective optimization            86 

6.8   Conclusion of optimization              93 

7.  Conclusion and future scope of research          94 

7.1   Conclusion of research work            94 

7.2  Future scope of research work            95 

 

ANNEXURE I                  97 

ANNEXURE II                  100 

REFERENCES                  102 

LIST OF PUBLICATIONS                108 

     

Page 21: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

VIII  

 LIST OF ABBREVIATIONS 

Sr. No.  Abbreviations  Meaning 

1  AMC  Ahmedabad Municipal Corporation 

2  APDL  ANSYS Parametric Design Language 

3  ASTM  American Society for Testing Materials 

4  AUDA  Ahmedabad Urban Development Authority 

5  CFD  Computational Fluid Dynamics 

6  CLD  Container Lifting Device 

7  FEA  Finite Element Analysis 

8  FFT  Fast Fourier Transform 

9  FOS  Factor of safety 

10  GUDC  Gujarat Urban Development Corporation 

11  HCV  Heavy Commercial vehicles 

12  ISO  International Organisation for Standardization  

13  LCV  Light Commercial Vehicles 

14  MSWM  Municipal Solid Waste Management 

15  SWC  Safe Working Capacity 

16  ULB  Urban Local Bodies 

17  WLL  Working Load Limit 

 

             

Page 22: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

IX  

LIST OF SYMBOLS    

Symbol  Description 

%  Percentage 

Poisson’s ratio 

r   Radial stress 

t   Tensile stress 

id   Internal diameter 

od   External diameter 

  Shear stress 

mg  milligram 

gm  gram 

mm  Millimetres 

hr  Hour 

y   Yield stress 

[L]  Lower Bound 

[U]  Upper Bound 

              

Page 23: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

X  

LIST OF FIGURES  

Figure No.  Title of Figure                   Page No. 

Fig. 1.1   Process of solid waste management            2 

Fig. 1.2   Waste transportation in open vehicles          6 

Fig. 1.3   Inappropriate secondary storage            6 

Fig. 1.4   Manually waste loading in open tractors in small towns 6 

Fig. 1.5   Manual loading of waste in open trucks in large cities      6 

Fig. 1.6   Truck mounted container lifting device          8 

Fig. 2.1   Variation of experimental stress of steel and composite leaf Springs  15 

Fig. 2.2   Load‐deflection curves for steel and composite leaf springs     15 

Fig. 2.3   The state of loading condition with respect to the installation of     15 

                           crane chain 

Fig. 2.4   Tensile stress–strain behaviour of the Grade‐80 steel chain     17 

Fig. 2.5   Mating fracture of surfaces at welded portion        17 

Fig. 2.6   Different types of eye design used for leaf spring        18 

Fig. 3.1   Forces acting on hydraulic cylinder            23 

Fig. 3.2   Thick cylindrical shell stress distribution over its thickness      25 

Fig. 3.3   Cross‐rod fixed at both ends              26 

Fig. 3.4   3D model of mechanical rear jack            27 

Fig. 3.5   Eccentric loading of column              28 

Fig. 3.6   Resulting stress distribution              28 

Fig. 3.7   Column welded to body of CLD            29 

Fig. 3.8   Shear of locking pin                29 

Fig. 3.9   Semi – elliptical leaf spring              30 

Fig. 4.1   Drawing of 4.5 cubic meter container used for CLD        34 

Fig. 4.2   Drawing of anchor pin used in 4.5 cubic meter Container      35 

Fig. 4.3   Cylindrical pin joints                38 

Fig. 4.4   Drawing of Cross‐rod used in CLD            39 

Fig. 4.5   Cross – section area of column section          41 

Fig. 4.6   Model of chain link                45 

Fig. 5.1   SolidWorks 3‐D model of container lifting device        53 

Page 24: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

XI  

Figure No.  Title of Figure                   Page No. 

Fig. 5.2   Joints between individual components of CLD model      54 

Fig. 5.3   Remote force, constrain, joint velocity, acceleration shown in CLD model  55 

Fig. 5.4   Force shown on translation joint probe          56 

Fig. 5.5   Translation joint force change with time          56 

Fig. 5.6   Fine meshing of CLD model              57 

Fig. 5.7   Time varying force applied on piston           59 

Fig. 5.8   Time varying reaction force applied on cylinder        59 

Fig. 5.9    Remote force, constrain, joint velocity, acceleration shown in CLD    59 model for transient analysis 

Fig. 5.10  Von‐Mises stress contour generated in CLD model        60 

Fig. 5.11  Maximum Von‐Mises stress generate in CLD model        60 

Fig. 5.12  Maximum value of Von‐Mises stress change with time      61 

Fig. 5.13  Equivalent elastic strain contour generated in CLD model      61 

Fig. 5.14  Maximum value of Equivalent elastic strain change with time    61 

Fig. 5.15  Total deformation of CLD model            62 

Fig. 5.16  Total deformation of CLD model with respect to time      62 

Fig. 5.17  Cylinder‐ base total revolute joint probe force        62 

Fig. 5.18  Time varying total cylinder‐ base revolute joint force      63 

Fig. 5.19  Big link‐ base total revolute joint probe force        63 

Fig. 5.20  Time varying total big link – base revolute joint force      63 

Fig. 5.21  Big link – piston rod total revolute joint probe force       64 

Fig. 5.22  Time varying total big link‐ piston rod revolute joint force      64 

Fig. 5.23  Safety factor contour generate in CLD model        64 

Fig. 5.24  Minimum time varying safety factor            65 

Fig. 5.25  3 – D model of leaf spring              65 

Fig. 5.26  Load and constrain applied to model of leaf spring        66 

Fig. 5.27  Stress generated in leaf spring            66 

Fig. 5.28  Strain generated in leaf spring            66 

Fig. 5.29  Load and constrain applied to model of mechanical jack      67 

Fig. 5.30  Stress generated in mechanical jack            67 

Fig. 5.31  Strain generated in mechanical jack            68 

Page 25: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

XII  

Figure No.  Title of Figure                   Page No. 

Fig. 5.32  Hydraulic Cylinder                69 

Fig. 5.33  Hydraulic cylinder with bush              69 

Fig. 5.34  OMNITREND Software              72 

Fig. 5.35  FFT spectrum of Hydraulic cylinder            74 

Fig. 5.36  Photographs of actual readings taken of CLD by FFT analyzer    76 

Fig. 6.1    Optimization using MATLAB for the function: Minimization of     82 

force value (f) exerted on piston 

Fig. 6.2    Optimization using MATLAB for the function: Minimization of     83 

Cross‐sectional area (A) of the Hydraulic Cylinder 

Fig. 6.3   Mapping from Parameter Space into Objective Function Space    87 

Fig. 6.4    Set of Non‐inferior Solutions              87 

Fig. 6.5    Pareto optimization using Genetic Algorithm plot of Stress      89 generated (N/mm2) v/s Force on Piston (N) 

Fig. 6.6    Pareto optimization using Genetic Algorithm plot of Force (N)     91 v/s Thickness of Cylinder (mm) 

Fig. 6.7    Pareto optimization using Genetic Algorithm plot of Force (N)    93 v/s Cross‐sectional area of Cylinder (mm2) 

                       

Page 26: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

XIII  

LIST OF TABLES  

Table No.   Title of Table                     Page No. 

Table 2.1  Parameter comparison between standard eye and casted eye    18 

Table 4.1  Grade 80 alloy chain standard by national association of       46

    chain manufacturer 

Table 5.1  Rigid dynamic analysis setup for CLD model          52 

Table 5.2  Material and its property for individual component of CLD      53 

Table 5.3   Joint applied to different pair of CLD component        54 

Table 5.4  Analysis setting in rigid dynamic analysis of CLD model      55 

Table 5.5  Value of translation joint force with respect to time       57 

Table 5.6  Transient dynamic analysis setting            58 

Table 5.7  Transient dynamic analysis setup of CLD model        58 

Table 5.8  Typical measurements of RMS values          75 

Table 6.1  Comparison of Classical and Genetic Algorithm        79 

Table 6.2  Value of each variable Internal diameter (d), Thickness of Cylinder (t)  88 

and Internal Pressure (p) after each iteration 

Table 6.3  Value of each variable Internal diameter (d), Stress of Cylinder (s)     90 

and Internal Pressure (p) after each iteration 

Table 6.4  Value of each variable internal diameter (d), Thickness of Cylinder (t)   92 

and Internal Pressure (p) after each iteration 

Table 7.1  Comparison of results with allowable value          94 

 

Page 27: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

  

1  

CHAPTER 1 

INTRODUCTION 

1.1 Introduction for Municipal Solid Waste Management 

Municipal  solid  waste  (MSW)  includes  waste  from  market  waste,  yard  waste, 

agricultural  wastes,  households  waste,  non‐hazardous  solid  waste  from  industrial,  street 

sweepings,  institutional  and  commercial  establishments  (excluding  bio‐medical  waste  in 

present  context).  Community  –  Industrial  hazardous  waste,  infective  waste  are  not 

considered  as  MSW  and  should  be  collected  –  processed  separately.  Management  and 

Handling  Rules  2000  defines  MSW  as  “commercial  and  residential  wastes  generated  in 

municipal or notified areas in either solid or semi‐solid form excluding industrial hazardous 

wastes but including treated bio‐medical wastes”. MSW related various other definitions are 

defined in MSW Rules 2000, which are given in ANNEXURE I. MSW management covers the 

functions of collection, transfer – transportation, processing – recycling and final disposal of 

solid  waste.  Safe  and  cost‐effective  management  of  MSW  is  a  significant  environmental 

challenge for modern society. Imperfectly managed waste disposal is directly affected to the 

human health and environment. 

Preferably  MSW  management  shall  include  the  ethics  of  waste  minimization, 

recycling, resource recovery as well as an integrated processing – disposal facility, leading to 

effective  service  delivery  in  a  justifiable  manner.  Solid  waste  should  be  managed  at  all 

stages starting from waste generation to the final waste disposal. An integrated solid waste 

management plan would consist of: 

understanding the present waste management practices 

recognizing waste management needs 

priorities shall be set for the required actions 

budget need should be identified 

different stakeholders shall be coordinated 

determining progress in terms of targets achieved 

as the plan advances priorities shall be modified 

communication  and  coordination  with  the  external/local  agencies  to  achieve  the 

desired targets. 

Page 28: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

  Introduction  

2  

For  the purpose of  EIA  (Environmental  Impact Assessments) Notification,  common 

municipal solid waste management facilities may be observed and compare with centralized 

MSW facility for any given town, city, region. It is further to mention a common facility need 

not have surrounding ULBs included. 

1.2  Solid waste management in Indian scenario 

The rapid urbanization is changing the nature of solid waste management from a low 

priority,  localized  issue to a general social and environmental problem with risks  to public 

health  and  environment. Usually, MSW  is  disposed  of  in  low‐lying  regions without  taking 

any safety measures or effective controls. Therefore, MSWM is one of the most important 

environmental problems of Indian megacities. The MSWM system comprises five activities, 

i.e. waste generation, collection, transportation, processing/treatment and disposal. 

 

Fig. 1.1  Process of solid waste management[16] 

MSW management is constrained by respective organisation weakness, less funding, 

improper management and operational systems, public laziness, lack of municipal staff. This 

can be made  self  –  sustained by  increasing  the  income of Municipal  Corporation  through 

taxation. [12] 

In Indian towns, MSW storage is to be done at a central place. Persons deposit their 

waste  in  bins  –  enclosures  located  at  street  corners  at  specific  intervals.  The  waste 

containers generally are constructed of metal, concrete, or brickwork. In most of the towns 

and  cities  indiscriminate  littering  of  roads  and  drains  are  found.  Community  storage may 

reduce  the  cost  of  waste  collection,  but  chances  of  scattering  remains will  be  the major 

issue.  Scavenging  of  the  wastes  by  stray  animals  and  rag  pickers  may  lead  to  further 

scattering of solid waste. 

It  is  often  observed  by  the  experienced municipal  experts  that  the  lack  of  public 

alertness among city residents is proving to be a major hurdle in maintaining the cleanliness. 

This  problem  is  most  severe  in  slums  and  in  areas  where  the  lower  and middle  income 

groups  reside.  Because  of  the  poor  conditions  people  are  not  using  proper  ways  of 

Page 29: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Solid waste management in Indian scenario  

3  

temporary storage of wastes. In some of these types of areas, NGOs are involved in making 

arrangements  for waste  collection  from households  leading  to  improvement  in  the  street 

cleanliness. 

For transportation of waste, different types of vehicles, varying from bullock carts to 

compactors are used. In large cities open body trucks of 5 to 9 tons capacity are in common 

use, but  in  smaller  towns,  tractor‐trailers are used despite being  slow.  In  few  large  cities, 

compactor vehicles are also used for transporting the solid waste. The waste is transported 

mostly  by  municipality  owned  vehicles;  though  in  some  big  towns,  private  contractor 

vehicles  are also hired  to expand  the working.  These vehicles  are generally maintained  in 

the municipal workshop along with other vehicles of the corporation but will get less priority 

in maintenance. Most of these municipality workshops have facilities for minor repairs only. 

Although preventive maintenance is necessary in these types of vehicles, but this aspect is 

often neglected.  

In  India,  thousands of  urban  residents make  their  living upon waste processing by 

working  in  small  industries, which  recycle  tin  cans,  plastics,  leather,  glass,  bottles,  bones, 

hair,  metal  etc.,  recovered  from MSW. Most  of  the material  containing metals,  unsoiled 

paper, plastics,  glass,  cardboard, etc.  are marketable and hence  recycled by householders 

themselves or by the rag‐pickers. By the time waste reaches the community bins, it contains 

only a small portion of recyclable material and consists mainly of vegetables – fruit peelings, 

used toiletries, scraps of soiled paper –plastic and  inert material such as sand and stones, 

etc. 

The  greater  proportion  of  organic  matter  in  MSW  indicates  that  the  biological 

processing of waste such as composting. There are several problems  found  in composting 

like  transportation,  poor  recognition  by  farmers  (may  be  for  the  quality  concerns), 

marketing,  price  etc.  There  are  several  efforts  are  being  taken  to  promote  waste 

segregation  and  composting  recently.  With  a  majority  of  Indian  successful  combustion 

reaction  cannot  be  obtained  so  supplementary  fuel  will  be  required  to  aid  waste 

combustion. 

Generally in all towns, waste is being disposed of in low‐lying areas. Waste disposal 

sites are preferred on the basis of their closeness to the collection areas and new dumping 

sites  are  normally  identified  only  when  the  existing  ones  are  filled.  The  waste  is  simply 

Page 30: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Introduction  

4  

dumped  at  such  sites  and,  except  in  the  major  cities.  Rarely  bulldozers  are  used  for 

compaction  at  the  disposal  site.  In  megacities,  they  are  used  mainly  for  leveling  of  the 

deposited waste. In many cities and towns proper weighing, filling and soil layering are not 

usual practice. A soil cover is also hardly ever provided, except at the time of final closure of 

the  site.  Most  of  the  disposal  sites  are  unfenced  and  the  waste  picking  is  commonly  in 

vogue,  posing  problems  in  the  operation  of  the  sites.  The  rag‐pickers  usually  have  a 

collective practice to light a fire on the dumpsite either to reduce the menacing flies, volume 

or odour results in easy way of waste picking. 

For the authorities, it is very difficult to acquire land for creating waste management 

and dumping facilities so it  is essential that the present dumpsites are reformed to collect 

current and future wastes. Usually haphazard dumping of waste across the dumpsites has 

been  a  routine  practice  results  in  pollution  of  the  surrounding  areas,  so  those  dumpsites 

need to be reformed and redesigned to recover space for future wastes. These reformation 

measures should include actions to be taken pollutant migration. This dumping site shall be 

designed  in such a way to accept future wastes for a period of 20 years or more and well 

planned operations, processes and maintenance. 

The human activities  create waste,  and  the way of practice  that waste  is handled, 

stored, collected, and disposed of can create risks to the environment and to human health. 

In urban areas  like especially rapidly growing cities of the developing world, problems and 

issues  of  municipal  solid  waste  management  (MSWM)  are  of  immediate  importance.[16] 

Most of state governments have acknowledged the importance of MSWM; however, rapid 

population  growth  and  changing  life  style  overcomes  the  capability  of  most  municipal 

establishments to provide the most basic services. 

Typically one – to two – thirds of the solid waste that is generated is not collected in 

major cities. The uncollected waste  is dumped  in the streets or  in drains  in open channel, 

create problem like flooding, breeding of  insect, rodent vectors and spreading of diseases. 

Even solid waste that is collected is often disposed of in uncontrolled dumpsites or burned, 

polluting water resources and the air. Proper implementation of MSWM practices benefits 

directly to both human health and environmental quality. 

   

Page 31: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

MSW – A growing challenge  

5  

 1.3  MSW – A growing challenge  

Growing urbanization in India will result in a massive increase of waste over the next 

two decades. The urban population is expected to represent 41% of the overall population 

by  the year 2021. During a  study conducted by  the CPCB on management of MSW  in  the 

country, estimates that waste generation from the present 48 million tons (MT) per year is 

expected to  increase to 300 MT per year, by the year 2047 (490 g per capita to 945 g per 

capita).  The  estimated  requirement  of  land  for  disposal would be  169.6  square  kilometer 

(km2) in 2047 as against 20.2 square kilometer (km2) in 1997 (CPCB 2000a).[14] 

Annually in India at present 48.0 MT of MSW is produced. 

There is a increase in urban population by 3 – 3.5 % per annum. 

In India per capita waste generation is increasing by 1.3 % per annum. 

Yearly increase of waste generation in India is approximately 5%. 

The urban  local bodies are  investing around35 – 50% of  its available  funds  to deal 

with the waste generated in urban areas. They are spending about Rs. 500 – 1500 per ton 

on solid waste management. Hence there is a vital need to increase effectiveness for better 

service delivery and optimization. 

Land selection  for  the disposal of solid wastes has been very  important criteria  for 

centuries.  Agricultural,  municipal,  urban  and  industrial  activities  produce  enormous 

amounts  of  wastes,  which  require  safe,  stable  and  permanent  secured  disposal.  For 

extending  financial  resources,  the  Central  Government  has  incorporated  solid  waste 

management as one of  the components  in  the  Jawaharlal Nehru National Urban Renewal 

Mission (JNNURM) programme for the growing challenge of solid waste management in the 

country.  Many  municipal  corporations  and  cities  are  getting  benefit  from  this  enormous 

programme. 

1.4  Transportation of Waste 

The following rules apply to transport of solid waste:

• Transport vehicles used for waste collection and dispose are covered.

• While doing transport waste, it should not be visible to public and exposed to the

environment, thus preventing the strewing of waste on rod.

• For clearing of waste attend to storage facilities daily.

Page 32: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Introduction  

6  

• Regular empty bins or containers before they start overflowing.

• Waste transport vehicles are designed so that it can eliminate multiple handling of waste

before final disposal.

1.5 Transport of Waste in Open Vehicles 

Waste  handling  in  the  big  cities,  ULBs  and  nagarpalikas  is  not  normal  practice. 

Unluckily,  service  of  waste  management  is  performed  very  unproductively  and  in  an 

unhealthy method. Open tractor trailers and trucks are used to transport waste and those 

are loaded manually. In rainy season the handling of these types of waste by local workers 

of the village/town is most dangerous. This  inefficient process results  in decreasing  labour 

efficiency and increases the possibility of work‐related health risk to all workers as shown in 

following photographs. 

Fig.1.2  Waste transportation in open vehicles [16]  Fig.1.3 Inappropriate secondary storage[16] 

 

Fig.1.4 Manually waste loading in open Fig.1.5 Manual loading of waste in open tractors in small towns[16]                                            trucks in large cities[16] 

Page 33: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Major drawbacks of the SWM transport system  

7  

1.6  Major drawbacks of the SWM transport system: 

Major drawbacks of the SWM transportation system are summarized as follows: 

•  While transporting the solid waste in open trucks and tractor trailer, it falls and thereby 

causing nuisance. 

•   Manual  handling  of  waste  like  loading  or  unloading  from  vehicles  without  use  of  any 

protection is hazardous to the health of workers. 

•  The  waste  transportation  system  is  not  properly  matched  with  the  secondary  storage 

system. Problems faced even a transport taskforce is modernized, because waste at the 

secondary storage station is still dumped on the ground. If the secondary storage system 

is restructured without a proper number of recent vehicles, similar problems may occur. 

•   Multiple handling of waste results in lower down labour and equipment productivity. 

•  Over flowing secondary waste storage depots result in irregular and untimely transport of 

waste. 

•  All  the  areas  cannot  be  given  service  properly  because  of  an  inadequate  number  of 

vehicles. 

•  Vehicles  are  not  properly  maintained  because  of  inadequate  workshop  facilities  and 

lengthy maintenance procedures. This problem  leads  to  frequent breakdowns  resulting 

vehicles shall be kept out of service for longer periods. 

•  Spare  parts  are  not  easily  available,  because  of  the  procurement  system  which  is 

cumbersome and very slow. 

•  Vehicle movement is not observed properly in terms of quantity of waste carried, number 

of trips made and optimum use of workers. 

•  Due to unplanned routing of vehicles, ineffectiveness transport logistics is found. 

The process of MSWM is divided into majorly five stages like generation, collection, 

transportation,  processing  and  disposal.  In  the  present  study  major  focus  is  given  on 

collection and transportation stage. The drawbacks of the MSWM described above are more 

or  less  related  to  the  collection  and  transportation  of  solid  waste.  Hence  in  the  present 

study  the  focus  is  made  on  the  modifications  in  design  of  CLD  with  lower  capacity  of 

containers which can be used in small towns, ULBs and villages.      

Page 34: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Introduction  

8  

1.7  Introduction to Container Lifting Device used for Solid Waste Management 

For transport of solid waste the concerned authority authorities need to decide the 

type of vehicles to be procured and the system of transportation to be adopted. If they use 

a containerized system the vehicles needed may be calculated according to the number of 

containers  that  will  become  full  each  day  and  the  number  of  containers  each  container 

lifting device will be able to take to the transfer station, treatment plant or disposal site.  

Normally, one vehicle will be able to lift seven or eight containers if the distances to 

be travelled are within 5 kilometers. The number of trips may be reduced to five or six if the 

distance is between 5 and 10 kilometers, and it may be further reduced depending on the 

distance travelled. In addition, 25 to 30 percent additional spare vehicles will be needed to 

maintain  reliability  of  service  during  breakdowns  and  during  preventive  maintenance  of 

vehicles.  

Possibly vehicles are to be utilized in two shifts to ensure maximum benefits, better 

results and optimum use of investment made. 

Fig. 1.6 Truck mounted container lifting device[14]

In all mega cities and municipal  corporations' hcv  chassis are used  for  loading and 

unloading  the  containers  having  size  more  than  5.5  cubic  meters.  But  for  all  towns  and 

nagarpalikas these may not be preferred due to space limitations and narrow size roads. So 

here tractor driven container lifting device may be used which will lift up to 4.5 cubic meter 

containers. They can use containers of up to 4 to 4.5 cubic meters capacity, which will make 

optimum use of the tractors. Even for more space limitations small containers mounted on 

LCVs chassis can also be used. 

 

 

Page 35: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Objectives of the study  

9  

1.8  Objectives of the study 

 The main Objective  of  this  study  is  to  design  the  container  lifting  device operated 

with tractors or LCVs used for small towns. 

To determine the feasibility of improving performance of container lifting device for 

solid waste management.  

To identify the problems/difficulties faced with the existing design/specifications of 

the container lifting device. 

To identify significant parameters affecting performance of the container lifting 

device.  

To review existing design/specifications of container lifting device. 

To establish the improved design/specifications of the container lifting device that 

will overcome most of the problems related the performance parameters.  

1.9  Scope of the work 

Feasibility assessment through survey based on questionnaires  from end users and 

manufacturers of container lifting device. 

Problem identifications based on survey conducted. 

Identification of  critical parameters will be assessed based on  literatures available, 

technical talk with experts and self‐assessment of the actual operations cycle of the 

existing systems. 

 Analysis tool will be used to finalize the most favorable design.  

 1.10  Description of the research work 

The detailed survey work for the different container lifting device will be done in the 

first phase.  It covers study and analysis of existing container  lifting device used for 

the solid waste management. 

In second phase problems during operations and maintenance will be identified from 

the all data collected.  

Page 36: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Introduction  

10  

Actual  need  base  analysis  is  done  according  to  the  requirement  of  solid  waste 

management.     

Based  on  the  above  analysis  new  improved  optimum  utilization  and  convenient 

design will be suggested for easy operation and less maintenance.  

The  same  design  will  be  checked  using  software  as  well  as  it  will  be  checked 

experimentally under AMC, AUDA and GUDC.   

1.11 Tools to be used  

Iterative design procedure and calculation – MATLAB/SCILAB 

CAD model – Solidworks 

Design analysis – Hypermesh, Hyperworks, ANSYS 

Design Optimization 

Design testing and validation  

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 37: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

 

11  

CHAPTER 2 

REVIEW OF LITERATURE 

2.1  Introduction to literature review 

Initially  literature  review  had  been  done  in  the  field  of  solid  waste management. 

There is always a scope of improvement possible at the every stage of SWM in our country. 

It had been observed that mostly all municipal corporations are using 5.5 and 6 cubic meter 

containers operated by a truck as the main source of waste collection and transportation. 

But at ULBs, small towns and villages, it is very difficult to operate truck operated containers 

because of following reasons: 

1) Quantity of Solid waste to be handled is less as compare to Municipal Corporation. 

2) Cost of truck operated container lifting device is also very high. 

3) Narrow size of the roads and space limitations are also not allowing us to use such 

solid waste handling systems. 

After  that  focused  in  the  design  of  small  containers  having  capacity  of  4.5  cubic 

meter and it can be operated by tractor operated container lifting device. So the idea was to 

design  and  develop  new  container  lifting  device  to  be  used  to  handle  4.5  cubic  meter 

container  and which  is  to  be  operated  by  tractor.  If  tractor  is  used  to  operate  container 

lifting device, in spare time the same tractor can be used to operate trolleys, water tanker 

etc. at the Nagarpalikas.  In short tractor can be used to perform multiple activities at ULB 

level.  This  combination  can  be made  at  less  than  half  of  cost  if  it  is  compare with  truck 

operated container lifting device. 

In second phase of literature review had been carried out for design, failure analysis, 

vibration  and  FEA  related  papers  of  hydraulic  cylinder,  link  chain  etc.  used  in  container 

lifting device. After designing, FEA and vibration analysis of container lifting device its most 

critical  component  i.e.  hydraulic  cylinders  needs  to  be  optimised.  So  in  third  phase  of 

literature  review,  optimizations  of  hydraulic  cylinders  papers  were  reviewed.  Here  main 

focus was given to single and multi‐objective optimization of hydraulic cylinders.   

2.2   Literature Review on Solid Waste Management 

(1) Mufeed  Sharholy  &  etc.  at  Elsevier  (2008)  present  that  Municipal  solid  waste 

management  (MSWM)  was  one  of  the  major  environmental  problems  of  Indian  cities. 

Page 38: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Review of literature  

12  

Improper  management  of  municipal  solid  waste  (MSW)  causes  hazards  to  inhabitants. 

Several  studies  reveal  that  about  90%  of  MSW  was  disposed  of  unscientifically  in  open 

garbage dump and landfills, creating problems to public health and the environment.[58] 

Generally transfer stations are not using the same vehicle, which collects refuse from 

individual dustbins, precedes it to the processing or disposal site (Colon and Fawcett, 2006; 

Khan, 1994). The MSW collected from the garbage bins at collection points are transported 

to the processing or disposal sites using a variety of vehicles.  In rural towns, bullock carts, 

tractor‐trailers,  tricycles,  hand  carts  etc.,  are  mainly  used  for  the  transportation  of  solid 

waste. Light motor vehicles (LMV) and trucks (HCV) are generally used in big towns or cities 

for transportation of MSW. The trucks used for transportation of MSW are generally of an 

open body type and are usually kept uncovered; thus during transportation, the waste tends 

to fall on the roads resulting  in unhealthy environments.  In some cities, modern hydraulic 

vehicles  are  gradually  being  introduced  (Bhide  and  Shekdar,  1998;  Reddy  and  Galab, 

1998).[58] 

Author briefly  describe present  trend  in  transportation of MSWM  in  small  and big 

town. According to author Collection and transportation activities constitute almost 80–95% 

of the total budget of MSWM. Hence,  it forms a  important component  in determining the 

economics of the entire MSWM system. Municipal agencies use their own vehicles for MSW 

transportation although in some cities these may be hired from private service providers.  

(2) Somnath Debnath & S.K.Bose at Elsevier (2013)[86]reflects the present stage of the 

MSW  services  in  India  and  explores  full  cost  accounting  (FCA)  structure  in  its  aptitude 

towards generation of  information on cost related aspects and supportable distribution of 

capitals. 

Authors  also  quoted  the  case  study  of  SWM  costs  of  Municipal  Corporation  of 

Greater Mumbai. The findings from the study indicates that the feasibility of having FCA as a 

temporary  arrangement  to  use  accounting  data.  It  also  generates  the  information  that 

would be relevant for improvements in decision making. The classification and gathering of 

data  is  somewhat arbitrary  in  the selected example of MCGM – Municipal Corporation of 

Greater Mumbai. So the purpose of this study is not to establish the precision of data or its 

explanation.[86] 

The aim of the study was to invite the consideration toward the transparency of FCA 

framework.  This  will  also  support  the  municipal  authorities  with  identification, 

Page 39: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Literature Review on Solid Waste Management 

13  

ascertainment  and  cost  control  to  steer  towards  strategies  that  should  support  optimal 

distribution of resources.  

(3) R.  K.  Kaushal  &  others  at  I.I.T.,  Delhi  (2012)  reviews  the  current  practices  of 

assessing and projecting of MSW and highlights their limitations.  

In the said paper, there was an effort has been made for the study of the changing 

trends  of  quantity  and  characteristics  of MSW.  It  also  suggests  finding  its  impact  on  the 

performance and capacity planning of recovery – recycle, compost, incineration and landfill 

facilities.  The  altering  pattern  of  waste  composition  emphasises  the  importance  of 

segregation for successful operation of waste management facilities.[72] 

Municipal  authorities  shall  maintain  the  waste  management  services  in  such  a 

manner that unhygienic and unsanitary conditions will not be created. The altering need for 

the  suitable waste management  technologies with  respect  to  the  changing pattern of  the 

waste generation shall be highlighted. This may help the urban local bodies accountable for 

MSW management in preparing more efficient plans.[72]A new survey shall be carried out on 

the generation and characterization of MSW in India. A large number of MSW samples are 

to be  collected and analysed  to obtain more  reliable  results  as MSW  is  heterogeneous  in 

nature.  

 

2.3 Literature review on Design and FEA of CLD 

 

(1) M  Osman  Abdalla  &  Others,  Malasiyaat  IJERA  (2013)[50]suggested  that  the  small 

sized opening ports of the cylinders resist the flow of discharged oil and because of that the 

piston motion  is  slowed  down.  This will  lead  to  a  lot  of  heat  generation  and  energy  loss 

within the actuators. This study had investigated and analyzed the potential of reducing the 

hydraulic resistance and rising efficiency of the hydraulic actuator. 

Conventional hydraulic cylinders are simulated in FLUENT. The projected system is a 

four ports hydraulic  cylinder  fitted with  a novel  flow  control  valve. Results  show  that  the 

small outlet ports are the sources of energy loss in hydraulic cylinders.[50] 

. An innovative hydraulic system was projected as a solution to relieve the hydraulic 

resistance  in  the  actuators.  The  proposed  system  is  of  four  ports  cylinder  and  simulated. 

Results show that the hydraulic resistance is extensively reduced and the proposed cylinders 

run faster than the conventional cylinders. It gives better performance regarding the piston 

Page 40: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Review of literature 

14  

speed and energy savings. This hydraulic system can be used in all engineering and portable 

applications.  

(2) P.J.  Gamez  –  Montero&  etc.  at    Elsevier  (2009)  presented  an  analytical  method 

based  on misalignment  to  calculate  the  load  capacity  of  an  actuator  by  determining  the 

critical load (buckling) and limit load (yield stress). [26] 

Results  of  maximum  load  capacity,  imperfection  angle  and  experimental  work  are  also 

presented for a specific unit of actuator. 

From the result author found that Imperfection angle and a 5% of wear on the guide 

ring reduce the cylinder load capacity by approximately 10% for the tested actuator.Results 

of imperfection angle show that the effect of fluid compressibility reduces the imperfection 

angle  between  rod  and  cylinder  tube.  [26] Moreover, wear  of  the  guide  rings  has  a major 

influence  on  the  imperfection  angle  than  that  of  the  radial  deformation  owing  to  the 

internal fluid pressure. 

(3) Mouleeswaran  SENTHIL  KUMAR  &  Sabapathy  VIJAYARANGAN  (2007)[57] 

represented static and fatigue analysis of steel  leaf spring – composite multiple leaf spring 

made up of glass fibre reinforced polymer using life data analysis. 

The  dimensions  of  a  present  conventional  steel  leaf  spring  of  a  light  commercial 

vehicle are taken in to consideration and are verified by design calculations. Static analysis 

of  2‐D model of  conventional  leaf  spring  is  also performed using ANSYS 7.1  and matched 

with the experimental results. [57] 

Using E glass – Epoxy unidirectional laminates, same dimensions of conventional leaf 

spring are used to manufacture a composite multiple leaf spring. The stiffness, load carrying 

capacity  and weight  of  composite  leaf  spring  are  compared with  that  of  steel  leaf  spring 

analytically and experimentally.  

Stresses and deflections are the design constraints. Finite element analysis with full 

bump load on 3‐D model of composite multi leaf spring is done using ANSYS 7.1.After that 

the analytical results are matched with experimental results. Fatigue life of steel leaf spring 

and composite leaf is also predicted.[57] 

 

 

Page 41: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Literature review on Design and FEA of CLD 

15  

 

Fig.2.1 Variation of experimental stress of steel Fig.2.2  Load‐deflection curves for steel               and composite leaf Springs [57]                                 and composite leaf springs[57]  

If  composite  leaf  spring  is  compared  with  the  conventional  steel  spring  then,  the 

composite leaf spring is found to have 64.95 % higher stiffness, 67.35 % lesser stress, 126.98 

%  higher  natural  frequency    and68.15 % weight  reduction  than  that  of  existing  steel  leaf 

spring. It is also concluded by the researcher that fatigue life of composite is more than that 

of conventional steel leaf spring.

(4) Tae – GuKIM and others (2010) performed 3D modelling and FE analysis to classify 

the correct and  incorrect  installation procedures of  link chain.  In the same context factors 

are also identified which can lead to disastrous failures because of the incorrect installation. 

This study utilized 3D modelling and finite element analysis of the chains which are used to 

operate  the  crane.  Based  on  the  analysis,  assessed  the  effect  of  different  load  cases  on 

structural stiffness and rigidity. Three dimensional interactive application programs (CATIA) 

was used  for  3D modelling of  the  chain  and  commercial  finite  element  analysis  software, 

ANSYS was used for this analysis.[91] 

 

 

 

 

 (A) Correct installation: tensile load[91]                 (B) Incorrect installation: bending load[91] 

Fig.2.3 The state of loading condition with respect to the installation of crane chain. 

Page 42: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Review of literature 

16  

Using the ANSYS FEA software, the stress distribution was calculated under the condition of 

axial  tensile  load  acts  on  the  chain.  The  stress  distribution  was  also  analyzed  when  the 

bending load was applied to the chain. The results show that the maximum Von‐Mises stress 

is  455 MPa  from  ANSYS  under  axial  tension.  While  the  bending  moment  is  applied,  the 

stress  is  1,236  MPa.  Allowing  for  the  case  of  5  tons  of  tensile  load,  the  analysis  result 

computed from FE analysis is approximately 460 MPa, which is lesser than that of the yield 

strength of the material. On the contrary, when 5 tons of bending load is applied, the result 

amounts  to approximately 1,180 MPa, nearly  reaching  the ultimate strength  (1,204 MPa). 

Also  the  result  shows  that  the  stress magnitude occurred by  a bending  force  is  2.5  times 

greater than that of a plain tensile load. From the results, it was found that the magnitude 

of stress is severely dependent on the stress state acting on the fracture surface.[91] 

(5) Khaled Al  –  Fadhalahand others  at  Elsevier  (2010)  studied  the  failure of grade 80 

alloy  steel  chain  links  at  the  weld  during  hauling  operations  of  heavy  –  weight.  Optical 

emission  spectrometry  is  the  process  of  chemical  analysis  performed  on  the  chain.  The 

results of this analysis indicate that some of the alloying elements such as Ni, Cr and Mo are 

present with lesser concentrations than usually required by ASTM standard. Because of that 

there was a decrease in the hardness and hardenability of the base metal and the weld, as it 

was indicated by hardness test. The base metal and the weld were also inspected by tensile 

testing, showing strength of nearly 800 MPa. Unlike the ductile base metal sample, the weld 

sample failed in a brittle manner at a very low strain value of 0.05. The weld brittleness is 

explained by metallographic examination, which indicated that welding defects are present 

in the weld. It is also consisting of internal and external cracks, where the latter are found in 

the weld fins near the weld interface. Weld inhomogeneity was confirmed by the presence 

of  two  modes  of  final  fracture;  namely  ductile  fracture  at  the  weld  centre,  and  brittle 

behaviour  at  the  outer  circumference  of  the weld  specifying  improper  post welding  heat 

treatment.[38] 

 

 

 

 

 

Page 43: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Literature review on Design and FEA of CLD 

17  

 

 

Fig.2.4 Tensile stress–strain behaviour of the    Fig.2.5 Mating fracture of surfaces at  Grade-80 steel chain[38]                                           welded portion[38]  

It  is also  found that daily – repetitive heavy  towing  loads had produced high cyclic 

stresses in the chains. Fatigue primarily nucleated at the exterior cracks of the weld fins, and 

later propagated to the inside of the links until sudden fracture occurred.[38]  In addition to 

the  manufacturing  defects  of  the  weld,  simple  fatigue  analysis  and  evidence  of  large 

fracture area in the failed link indicate that failure by overloading was a major cause to the 

short  fatigue  life.  In general,  the results provide a confirmation of  lack of some significant 

alloying  elements,  welding  defects  and  improper  post  weld  heat  treatment  of  the  chain 

links. This  leads  to partial  contentment of  the ASTM standard  requirements  for Grade–80 

steel chains. 

 

(6) Vinkel Arora and others (2011): In the work presented, single leaf spring is

modelled using dedicated modelling software CATIA. Here the author has also considered

various eye design and the stresses induced in the leaf spring. As eye end plays active role

during application of leaf spring i.e. eyes have the critical areas where the most stresses

induced in a leaf spring. So by changing the eye design, stresses may be reduced. So two

different types of eye design for leaf spring analysis were considered. These two types eye

design are (1) Standard eye and (2) Casted eye.[98]

Page 44: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Review of literature 

18  

1) Standard eye                                      2) Casted eye 

Fig.2.6 Different types of eye design used for leaf spring [98] 

This work comprises of design and analysis of single leaf spring under static loading 

conditions.  The  3D model  is  prepared  in  CATIA  and  then CAE  analysis  is  performed using 

ANSYS – 11. From the results obtained from ANSYS, discussions have been made and it will 

be concluded that: 

Table.2.1  Parameter comparison between standard eye and casted eye[98]

Parameter  Standard Eye  Casted Eye  Variation 

Load  50 N  50 N  Nil 

Deflection  109.62 mm  115.61 mm  5.4% 

Von Mises Stress  773.34MPa  750.08MPa  3.0% 

Normal Stress  654.12MPa  783.51MPa  19.08% 

Factor of Safety  Maximum – 15  Maximum – 15  Nil 

  Minimum‐0.381  Minimum‐0.331  13.1% 

 1)  As  shown  in  above  table  2.1, when  similar  load  is  applied  to  standard  and  casted  leaf 

spring equivalent stress reduction of 3.0% and increase in deflection of 5.4% is achieved. As 

maximum  stress  induced  in  the  spring  material  is  below  the  yield  stress  therefore  it  is 

concluded that casted eye is also safe under given loading conditions. 

2)  It  is also observed that as  the minimum factor of safety  is  reduced by 13.1%  in case of 

casted eye, the area under minimum factor of safety will  fail earlier  in case of casted eye. 

Hence casted eye is not recommended for the use. [98] 

 

 

 

 

Page 45: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Literature review on Optimization of hydraulic cylinders 

19  

2.4 Literature review on Optimization of hydraulic cylinders 

 

(1) D.    J. Wilde  in  the  subject of  “Monotonicity  and  dominance  in  optimal  hydraulic 

cylinder”  at  ASME  (1975)  stated  that  monotonicity  and  dominance  were  used  to  find 

general  principles  for  designing  hydraulic  cylinders  optimal  for  a  wide  class  of  objective 

functions  and  stress  conditions.[102]  The  design method,  although  guaranteed  to  give  the 

optimum  design,  requires  no  knowledge  of  optimization  theory  by  the  designer.  Optimal 

cylinders  should  be  designed  for minimum  force.  Only  two  designs  can  be  optimal—one 

with maximum pressure and minimum wall thickness; the other with maximum stress.In the 

former case, the design is retained if and only if the stress is less than allowable. Otherwise, 

a  one‐variable  search  in  a  restricted  interval  is  needed.  The  results  suggest  the  potential 

importance of monotonicity and dominance in identifying the critical constraints in a design. 

(2) Nestor  F.  Michelena  and  Alice  M.  Agogino  in  the  subject  of  “Multiobjective 

Hydraulic Cylinder” at ASME (1988) states that The limitations of the repeated calculations 

in  Pareto  optimization  have  been  countered  by  the  complexity  reductions  possible  by 

application of monotonicity analysis and the Karush‐Kuhn‐Tucker optimality conditions. The 

analysis  applied  to  a  multiobjective  formulation  of  a  hydraulic  cylinder  optimal  design 

problem  allows  parametric  curves  for  tradeoffs  between  three  objectives  representing 

material costs, lifetime and operating costs. The author had also stated that “If one wish to 

minimize cross‐sectional area, a hydraulic cylinder designer should never design for a force 

above  the  minimum  required  and  should  always  design  for  the  minimum  allowable 

thickness.”[62] 

(3) D.  J.  Wilde    in  the  subject  of  “THE  MONOTONICITY  TABLE  IN  OPTIMAL 

ENGINEERING DESIGN” (2007) states that monotonicity analysis has been established helpful for 

identifying  which  combinations  of  constraints  might  be  active  at  an  optimum.  To  make  the 

Monotonicity  Table,  detailed modeling  is  not  required.  The  results  are  valid  for  any  objective  or 

constraints  having  the  same  monotonicities  even  though  coefficients  and  exponents  may  be 

different.  Consequent calculations have fewer degrees of freedom than it may be possible in 

the original formulation. Since all local optima are generated, finding the global optimum is 

guaranteed.[103] 

In every example a simple design procedure involves evaluating at most two cases, 

was found without information of the functions other than their monotonicities. Even when 

the method  does  not  solve  the  problem  entirely,  it  can  lead  to  simplifications  significant 

enough to justify its use on any optimal engineering design problem. 

Page 46: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Review of literature 

20  

(4) M.  BALACHANDRAN&    J.  S.  GERO  in  the  subject  of  “A  COMPARISON  OF  THREE 

METHODS  FOR GENERATINGTHE  PARETO OPTIMAL  SET”  (2007) describes  and  compares 

three  approaches  for  solving  design  optimization  problems  with  multiple  conflicting 

objectives.  The  three  techniques  are  described  in  detail  and  then  applied  to  an  example 

which demonstrates how information is accumulated which leads to a  logical and efficient 

multi  criteria  optimal  design.  The  techniques  employed  (weighting,  Non  inferior  set 

estimation  and  constraint  methods)  are  compared  to  each  other  by  considering  their 

computational  efficiencies  and  their  abilities  to  produce  an  approximation  of  the  Pareto 

optimal set.[9] 

The  constraint  method  shows  a  precise  and  appealing  feature  that  it  will  always 

create the shape of the whole Pareto set. By distinction, the weighting and NISE method will 

extent  only  the  rounded portion  of  the  Pareto  set.[9] Furthermore,  the  constraint method 

provides absolute control of the spacing and exposure of the Pareto set. 

(5) ALICE  M.  AGOGINO  &  ANN  S.  ALMGREN  at  Taylor  &  Francis  (2015)  states  The 

results  of  the  qualitative  and  functional  levels  of  computation  in  the  *SYMON‐SYMFUNE 

programs give strong insights into the mathematical structure of optimization problems and 

can eliminate  the need  for  further numerical analysis. The symbolic  results provide useful 

assistance at the numerical  level  in generating parametric curves for applications  in multi‐

objective  optimization,  sensitivity  analysis,  and  parametric,  probabilistic  or  fuzzy  design. 

These powerful techniques for  integrating qualitative reasoning and symbolic computation 

in SYMON and SYMFUNE typically outperform human reasoning in reducing the complexity 

of optimal design problems.[6] 

The results of the qualitative and functional levels of computation in the SYMONSYMFUNE 

programs give strong insights into the mathematical structure of optimization problems and 

can eliminate  the need  for  further numerical analysis. The symbolic  results provide useful 

assistance at the numerical  level  in generating parametric curves for applications  in multi‐

objective optimization, sensitivity analysis and parametric, probabilistic or fuzzy design. 

*SYMON – SymbolicMONotonicity Analysis,    

  SYMFUNE – SYMbolicFUNctionalEvaluation [6] 

(6) P.  PAPALAMBROS  &  D.  J.  Wilde  at  ASME  publication  (1979)  states  that 

Monotonicity analysis can assist in both modeling correctly and solving for global optimality. 

It can guard the designer against the pitfalls of numerical optimization methods and guide 

Page 47: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Literature review on Optimization of hydraulic cylinders 

21  

the  improvement  of  the  original  model.  It  leads  to  strikingly  simple  design  procedures 

guaranteed to give the global optimum without complicated  iterative calculations. Since  it 

relies on the  interplay of the engineering with the mathematical properties of a proposed 

design, it is well suited to problems of engineering design.[67]  

 

2.5 Performance Problem Identification through Survey 

Gujarat  Urban  Development  Corporation  (GUDC)  working  under  Government  of 

Gujarat had carried survey at different 161 ULBs across the state for smooth functioning and 

improvement  in  different  aspects  of  solid  waste  management  system.    This  survey  and 

detailed analysis of  reports were carried out by  the  team of  technical experts. Format  for 

the  survey  of  Container  Lifting  Device  (CLD)  is  kept  in  ANNEXURE  –  II,  it  covers  various 

parameters which affects on the performance of CLD. It was prepared in consultation with 

technical  approval  group  formed  by  GUDC  under  Government  of  Gujarat.  This  survey 

reports focused on various critical parameters  like quality of hydraulic hoses used, type of 

hydraulic cylinders assembly used, proper fittings of hydraulic oil pipe and joints fittings of 

hydraulic lines etc. related to CLD. 

After  the  detailed  survey  carried  out  for  CLD  with  manufacturers,  contractors, 

operators, drivers,  technicians,  technical  staff of ULBs,  supervisors  following problems are 

found while using CLD. 

While transportation of container  in container lifting device due to immediate braking 

and vibration due to road obstacle, there are chances to movement of container from 

its position. This may damage the other parts of CLD.  

During loading and unloading, container only supported by hoist chain. So it  is free to 

oscillate and chances to strike with hydraulic cylinder, hydraulic oil supply pipes etc. and 

may damage the same.  

Generally during operation of container lifting device there is no proper ground level at 

storage  depot  station  and  dumping  site.  So  there  may  be  chances  of  unstable  or 

pitching of vehicle due to lack of supporting structure.  

Hydraulic oil  supply  system  from hydraulic motor  to  cylinder  through pipe network  is 

not properly placed, fixed and positioned. Due to that in short running time it may be 

damaged and leaked.  

Due to improper design of CLD without proper side and front wall, waste from overfilled 

container may fall on the road during travelling.  

Page 48: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Review of literature 

22  

2.6    Research Gap 

After  studying many  research  papers  regarding  the  work  to  be  carried  out,  some 

research  gap  found  out  and  some  of  things  were  found  out  this  has  been  less  focused. 

Mainly three types of research papers were studied like review papers regarding solid waste 

management,  design,  vibration  and  FEA  of  different  components  used  in  CLD  and 

optimization of hydraulic cylinders as most critical part of CLD. 

Solid waste management in India has every chance of improvement at all stages like 

collection,  transportation,  processing  and  disposal.  Out  of  these  here  collection  and 

transportation stage were selected. 

There  is  also  lots  of  scope  of  technical  improvements  required  to  be  adopted  for  the 

existing container lifting device used with tractor for SWM work. 

Identified the problems/difficulties faced with the existing design / specifications of the 

container lifting device. 

Identified its important components and significant parameters affecting performance of 

the container lifting device (CLD). 

Design  of  critical  engineering  parts  used  in  CLD  is  to  be  done  &  check  i.e.  hydraulic 

cylinder  assembly,  cross‐rod  with  two  arms,  different  pin  joints,  rear  mechanical  jack 

assembly, leaf springs and chains.   

Studied dynamic behaviour of moving parts and analyse its performance. 

Establish  the  improved  design  or  optimize  the  current  design  of  the  container  lifting 

device that will overcome most of the problems related to the performance parameters. 

Identified  the  most  critical  engineering  component  of  container  lifting  device  i.e. 

hydraulic cylinders. 

Using  FFT  analyzer  vibrations  of  hydraulic  cylinder  are  to  be  measured  during  actual 

working conditions.  

Optimization hydraulic cylinder is to be carried out using both single and multi‐objective 

optimizations based upon the requirements.  

Page 49: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

 

 

23  

CHAPTER 3 

DESIGN METHODOLOGY 

3.1  Introduction 

Present research work focused on analysis and design of Container lifting device (CLD) used 

for  lifting  and  lowering  4.5  cubic meter  container  operated  by  tractor.  Following  are  the 

components used in CLD. 

1. Hydraulic cylinder assembly 

2. Pin joints 

3. Cross‐ rod 

4. Rear mechanical jack 

5. Welded joints 

6. Locking pins 

7. Leaf springs 

8. Hoisting chains 

This  chapter  describes  the  design  philosophy  of  above  mentioned  components.  It  was 

observed  after  analysis  of  survey  reports  and  literature  review  that  the modifications  are 

required  in  the  design  of  CLD  to make  it  compatible with  tractor  driven  instead  of  truck 

mounted.  Hence the design procedure for various components is outline in this chapter. 

3.2  Design of Hydraulic Cylinder 

Hydraulic  cylinders  are  actuation  devices  that  convert  the  hydraulic  energy  of 

pressurized fluids into the mechanical energy needed to control the movement of machine 

linkages and attachments.  

Hydraulic  cylinders  are  used  at  elevated  pressures  and  create  large  forces  and 

accurate movement.  For  this  reason  they  are made of  strong materials  such  as  steel  and 

designed  to  withstand  huge  forces.  The  fluid  pushes  against  the  face  of  the  piston  and 

produces a force.  

Fig. 3.1 Forces acting on hydraulic cylinder

Page 50: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Design methodology 

24  

The force produced is given by the formula:  

F = P   A                           ………..Eq. (3.2.1)       

Where, P is the pressure in N/m2 

Let ‘A’ be the full area of the piston and ‘a’ be the cross sectional area of the rod. If 

the pressure is acting on the rod side, then the area on which the pressure acts is as (A ‐ a).  

3.2.1 Material used for Hydraulic Cylinder 

To cope up with higher stress either wall  thickness has to be  increased or material 

with higher allowable stress has to be selected. To reduce overall size mostly material with 

higher allowable stress are selected such as plain carbon steel or low or medium alloy steel. 

But these materials are difficult to weld. If working environment of hydraulic cylinder is of 

corrosive in nature, then use brass or stainless steel seamless pipe. If there is no limitation 

about bore size, and hydraulic fluid  is also not corrosive, then for such condition seamless 

pipe of  low  to medium carbon  steel with  carbon percentage  in between 0.15  to 0.35%  is 

used. [48] 

Mostly ground and hard‐chrome plated rod of C40, SAE 1045, DIN CK 45 and JIS S45C 

grade material  and  in  standard  size  is  available  in market and widely used  for piston‐rod. 

Piston‐rod can also be made from mild steel, alloy steel, stainless steel, cast‐iron (for larger 

size  and  short  length  of  piston‐rod  under  compressive  load)  etc.  depends  on  application. 

Now a days medium carbon steel SAE 1045 grade in ground and coated condition are also 

available, which are much better than C40 grade piston rod. [49] 

3.2.2 Theoretical Design of Cylinder Tube 

Cylinder tubes are divided in to two categories.  

1) Thin Cylinder Tube  

2) Thick Cylinder Tube  

When  ratio of  cylinder bore diameter  to wall  thickness  is bigger  than 10  then  it  is 

called  thin cylinder and when  it  is equal  to or  less  than 10  then  it  is  called  thick  cylinder. 

Equations to calculate wall thickness, and assumption made to use them are different. But 

in high pressure and load application only thick cylinder tube is used, which is able to sustain 

high pressure. 

 

Page 51: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Design of Hydraulic Cylinder 

25  

3.2.3 Design of Thick Cylinder 

In case of thin cylinder, stress assumed to be uniformly distributed over the section 

of wall, but In case of thick cylinder stress distribution are as follow. 

 

                 Fig. 3.2  Thick cylindrical shell stress distribution over its thickness[48]

Maximum  radial  stresses  are  generally  equal  to  the  internal  pressure,  and  it  is 

maximum at inner surface of cylinder.  

σr (max) = ‐P 

For calculating tangential stress following four equations are used. 

1) Lame's equation 

12

i t

t

d Pt

P

………………………Eq. (3.1.1)

,

t

where t thicknessof cylinder

Tensile stressof thecylinder material

 

Lame's equation is used for designing cylinder of brittle material and it depends on 

maximum‐ stress theory of failure, and could be used for open as well as closed cylinder. 

2) Brinies’ equation: 

Brinies’ equation depends upon the maximum strain theory of failure. That is failure 

will  occur  when  the  strain  reaches  a  limiting  value.  According  to  this  theory  the  wall 

thickness of cylinder is. 

1

12 1

ti

t

Pdt

P

……………...........Eq. (3.1.2) 

                                                                        Where,  'Poisson s ratio  

This equation is generally used for open‐end cylinder made of ductile material, such as gun‐

barrels. 

Page 52: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Design methodology 

26  

3) Clavarino's equation: 

This  equation  is  similar  to  Brinies’  equation,  but  applies  to  closed‐end  cylinder  made  of 

ductile material. According to this equation the thickness of a cylinder, 

        1 2

12 1

ti

t

Pdt

P

…………….…….Eq. (3.1.3) 

4) Barlow's equation: 

This  equation  is  generally  used  for  high  pressure  oil  and  gas  pipes.  According  to  this 

equation the thickness of a cylinder, 

       2

i

t

Pdt

……………….………………….Eq. (3.1.4) 

3.3  Theoretical Design of Piston and Piston Rod 

Piston rod transfers the force developed at piston to work piece. This force may be pushing 

or  pulling.  Piston  rod  is  designed  to  transfer  these  forces  along  its  central  axis.  It  is  not 

designed  or  expected  to  take  any  side  bending  load.  Then  the  cross‐section  required  to 

transfer force within safe stress limit can be calculated using basic simple formula such as. 

       2

4 tFt

d ……………………………..…......Eq. (3.3.1) 

And for piston design equation is given like… 

        2 2

4 t

i

FP

D d

……………….……….…Eq. (3.3.2) 

3.4 Design of Cross‐Rod 

In container  lifting device (CLD) cross‐rod  is used to support  the  load by container  loading 

and transmit motion from the cylinder to container for loading and unloading. In design of 

cross‐rod,  it  is  consider  as  a  fixed  beam  supported  at  two  ends with  two point  load  at  a 

same distance from ends. Here beam is considered as a hollow pipe section. 

 

Fig. 3.3 Cross‐rod fixed at both ends 

Page 53: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

 

W = Ap

C = Rati

L = Tota

Now, d

like belo

Flexure

Shear st

Maximu

3.5  Des

Mechan

load  at 

jack is u

contain

station 

not onl

proper 

simply 

column

3.5.1 Lo

Centric 

allowab

Eccentr

the bea

 

 

 

ply load,  do

io of inner t

al length of 

ue to applie

ow… 

 bending st

tress 

um principa

sign of Rea

nical  Jack  is

some heig

used to sup

ner is not do

and dump

y support t

design of r

consider  a

n is less than

oading Loca

loading:  T

ble stress is 

ric loading: 

am load will

o = Outer D

to outer dia

Beam, a = D

ed load W a

ress  

2 2

4

1

W

D C

al stress  1

r Mechanic

s  a  device 

ght.  In  tract

pport the lo

one with pr

ing  site.  So

the  load bu

rear jack is 

as  a  short 

n 50 with ec

ation 

The  load  is

determined

The load is

 proceed in

iameter,  di

ameter,  M =

Distance be

at distance ‘

3 4

32

1

M

D C

          

………

2 2

cal Jack of C

which  can 

tor  driven  c

ad. Genera

oper groun

o,  at  that  ti

ut also stab

necessary. 

column  be

ccentric loa

s  applied  a

d from stre

s offset from

n the colum

27 

i = Inner Dia

= Bending m

etween fixed

‘a’ from bot

   ……………

……………………

22

……

CLD Model

support  an

container  li

ally loading 

nd level like 

me mechan

ilize the ve

For design 

ecause  slen

ding condit

at  the  cent

ngth (P/A) o

m the cent

n. This offse

ameter 

moment 

d end and a

th end gene

……..Eq. (3.4

………Eq. (3.4

……..Eq. (3.4

nd  also  rais

ifting  devic

and unload

at storage 

nical  jack  is

hicle. That’

of rear jac

nderness  ra

ion.        

Fig.3.4 3D 

troid  of  th

or buckling.

roid of the 

et causes be

applied poin

eral stress g

4.1) 

4.2) 

4.3) 

se  the 

e  rear 

ding of 

depot 

s  used 

’s why 

k,  it  is 

atio  of 

model of m

e  cross  sec

cross sectio

ending alon

Design of C

nt load 

generated is

mechanical r

ction.  The 

on because

ng with axia

ross‐Rod 

s given 

rear jack 

limiting 

e of how 

l stress. 

Page 54: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Design methodology 

28  

 

 Fig. 3.5  Eccentric loading of column 

The eccentricity causes bending stresses by a moment of value equal  to P x e. Within  the 

elastic  range  (linear  stresses)  it  can  be  superposition  or  add  up  the  normal  and  bending 

stresses: 

        x a b

p Myf f f

A I ……………………Eq. (3.5.1) 

 (A) 

The resulting stress distribution is still linear and the N.A. moves (if there is one). 

 (B) 

Fig.3.6 Resulting stress distribution (A) without N.A (B) with N.A[49] 

The value of e (or location of P) that causes the stress at an edge to become zero is at the 

edge of the kern. As long as P stays within the kern, there will not be any tensile stress. 

Limit Criteria  

     1

. .a b

a b

f f

F F F O S Interaction formula…………..Eq. (3.5.2) 

   

A) Eccentric loading of column with eccentricity (e) 

B)     Eccentric load right with Tension in left 

Page 55: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

 

3.5.2 De

Two  pa

body  o

welded

require

followin

2L = len

 

3.5.3 De

Under 

with do

d = diam

 

2

p

A

 

3.6  Des

wheele

semi el

steel of

tie hole

road  ir

energy 

energy 

esign of we

arallel  fillet 

f  CLD  mod

  portion  is

d  to  supp

ng calculatio

ngth of weld

   

esign of loc

loading  co

ouble shear 

meter of pin

2

2 p

d        

   

sign of Leaf

A  leaf  spri

d vehicles. 

liptical  leaf

f rectangula

es are provid

The leaf sp

regularities

is  stored  i

storage  ca

elded joint 

welds  is  p

del.  In  load

  shear  stre

ort  and  su

on.  

d,  S = weld 

            

cking pin 

ndition  pin

area. 

       (∵A =πd

f Spring 

ing  is  a  sim

It is also on

f  spring  (SE

ar cross‐sec

ded at eithe

pring is be s

s  by  means

in  spring  a

apacity  of 

rovided  to 

ing  conditio

ess.  So,  we

ustain  the 

size  

    τ = shear

0.707

2SL

n  is  subject

d /4)…….Eq

 

mple  form 

ne of the ol

LS)  it  takes

tion. The ce

er end for a

supposed to

s  of  variatio

s  strain  en

a  leaf  sprin

Desi

29 

join  the  re

on  stress  p

lded  size  a

load  is  de

r stress, 

7 p

L………….E

ted  to  shea

q. (3.5.4) 

of  spring, 

dest forms 

s  the  form 

entre of the

ttaching to 

o absorb th

ons  in  the 

ergy  and  t

ng  ensures

ign of Rear 

ear  jack  to 

produce  in 

and  length 

erive  from 

Fig.3.7 Colu

 

Eq. (3.5.3)

ar  load 

                Fig

commonly

of springin

of a  slende

e arc provid

the vehicle

he vertical v

spring  def

then  releas

s  a  more  a

Mechanical

umn welded

g.3.8 Shear

y  used  for 

ng. Sometim

er arc‐shape

des location

e body. 

vibrations a

flection  so 

ed  slowly. 

amenable  s

l Jack of CLD

d to body o

r of locking 

the  suspen

mes referred

ed  length o

n for the axl

and impacts

that  the  p

So,  increas

suspension 

D Model 

of CLD 

pin  

nsion  in 

d to as a 

of  spring 

le, while 

s due to 

potential 

sing  the 

system. 

Page 56: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Design methodology 

30  

According  to  the  results  of  the  studies  made  the  material  with  maximum  strength  and 

minimum modulus of elasticity in the longitudinal direction is the most appropriate material 

for  a  leaf  spring.  Fatigue  failure  is  the  predominant  mode  of  in‐service  failure  of  many 

automobile  components.  This  is  due  to  the  fact  that  the  automobile  components  are 

subjected to variety of fatigue loads like shocks caused due to road irregularities traced by 

the road wheels, the sudden loads due to the wheel travelling over the bumps etc. The leaf 

springs are more affected due to fatigue  loads, as they are a part of the unspring mass of 

the automobile. 

The leaf does the following functions: 

Supports the chassis weight. 

Controls chassis roll more efficiently‐‐high rear moment centre and wide spring base. 

Controls rear end wrap‐up. 

Controls axle damping. 

Controls lateral forces much the same way a hard bar does. 

Controls braking forces. 

Regulates wheelbase lengths (rear steers) under acceleration and braking. 

 

Fig.3.9 Semi‐elliptical leaf spring [21] 

fn = number of extra full‐length leaves 

gn = number of graduated‐length leaves including master leaf 

n= total number of leaves 

b  = width of each leaf (mm) 

t = thickness of each leaf (mm) 

12L = Length of span or overall length of the spring 

Page 57: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Design of Leaf Spring 

31  

l  = Width of band or distance between centres of U‐bolts. (It is the ineffective length of the 

spring) 

L = length of the cantilever or half the length of semi‐ elliptic leaf spring (mm) 

F = force applied at the end of the leaf spring (N) 

fF = portion of F taken by the extra full‐length leaves of the leaf spring (N) 

gF = portion of F taken by the graduated‐length leaves of the leaf spring (N)  

 E = Modulus of Elasticity of Material  

Maximum Bending Moment in the Centre (M) = FL 

Effective length of the spring is… 

2L  =  12L ‐  l  (When the band is used) ……………………….Eq. (3.6.1) 

2L=  12L  ‐ 2

3l  (When U‐bolts are used) ……………………Eq. (3.6.2) 

When there is only one full‐length leaf (i.e. master leaf only), then the number of leaves to 

be cut will be n and when there are two full length leaves (including one master leaf), then 

the number of leaves to be cut will be (n‐1) if a leaf spring has two full‐length leaves, then 

the length of leaves is obtained as follows: 

Length of smallest leaf of the leaf spring = effective length

1n + Ineffective Length   …Eq. (3.6.3) 

Length of next leaf of the leaf spring   = effective length

1n 2 + Ineffective Length ..Eq. (3.6.4) 

Similarly, 

Length  of  (n‐1)  leaf  of  the  leaf  spring  = effective length

1n n 1  +  Ineffective  Length 

…...Eq. (3.6.5) 

The nth leaf will be the master leaf and it is of full length. Since the master leaf has eyes on 

both sides, therefore 

Length of Master Leaf of the leaf spring = 12L +  2d t  …………………………………Eq. (3.6.6) 

Where d = Inside diameter of eye 

  t = Thickness of master leaf 

The relation between the radius of curvature(R) and the camber (y) of the spring is given by: 

      212y R y L                                    

………………………………..Eq. (3.6.7) 

Where L1 = Half span of the leaf spring. 

Page 58: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Design methodology 

32  

The maximum deflection (δ) of the spring is equal to camber (y) of the spring. 

We know, 

   fF  +  gF  = F                                       ……………………….......................Eq. (3.6.8) 

  Ff =f

f g

3n F

3n 2n …. (Force taken by no. of nf master leaf)                     ..............Eq. (3.6.9) 

  Fg= g

f g

2n F

3n 2n …. (Force taken by no. of ng graduated leaf)                    …….Eq. (3.6.10) 

  bg =  2

f g

12FL

bt 3n 2n ….(stress induce in ng graduated leaf)                   …….Eq. (3.6.11) 

  bf =  2

f g

18FL

bt 3n 2n ….(stress induce in nf master leaf)                     ………..Eq. (3.6.12) 

  y =  3

3f g

12FL

Ebt 3n 2n …. (Deflection at the end of the spring)                  ……Eq. (3.6.13) 

Multi‐leaf  springs  are  designed  using  load  stress  and  load  deflection  equations.  The 

standard dimensions for the width and thickness of the leaf section are as follows: 

Nominal thickness (mm): 3.2, 4.5, 5, 6, 6.5, 7, 7.5 8, 9, 10,11,12,14, and 16. 

Nominal width (mm): 32, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 90, 100 and 125. 

3.6.1  Materials for leaf spring 

Plain carbon steel, Chromium vanadium steel, Chromium‐ Nickel‐ Molybdenum steel, 

Silicon‐ manganese steel, are the typical materials that are used in the design of leaf springs. 

Like  steel  conforming  to  55si7,  60si7,  65si7,  ASTM  grade A689. Other  spring  steel  having 

similar  hardenability,  toughness  and  physical  property  are  considered  for manufacture  of 

leaf spring. 

   

Page 59: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

 

33  

CHAPTER 4 

DESIGN CALCULATIONS 

 

4.1  Design calculations – Anchor pin for 4.5 cubic meter container 

Selection  of  container  to  be  used with  tractor  operated  container  lifting  device  is 

based on volumetric capacity. Size of container is minimized based on operation and 

performance criteria. 

After  detailed  study  and  analysis  4.5  cubic  meter  container  is  selected  for  the 

operation.  

It  is  to  be  fabricate  with Mild  Steel  sheets  with  four  top  openings    and  one  rear 

lockable  tailgate  with  heavy‐duty  hinges  as  per  below  mentioned  technical 

specifications and drawing.  

The lifting hooks/anchor pins shall be integrated within the frame and be capable of 

taking the specified load. 

Page 60: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Design calculations 

34  

 

Fig. 4.1 Drawing of 4.5 cubic meter container used for CLD 

Page 61: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Design calculations – Anchor pin for 4.5 cubic meter container 

35  

Fig. 4.2 Drawing of anchor pin used in 4.5 cubic meter Container

Bending moment equation in this case  

 

,          

                

                

                              

                   

b

Where

Bending stress

M Bending moment

Y Perpendicular distance between point of force and neutral axis

I Moment of inertia for circular cross section

         

       

             250  /

           2yt

d Diameter of pin

S Yield strength of material N mm

FOS Factor of safety

Since  there  are  four  hook  in  the  container  for  lifting  purpose,  so  we  divide  the  

maximum load of 5 ton by four to get the maximum load at single hook of container as 

1.25 ton (12500 N). 

Page 62: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

 

Thu

Usin

Wh

4.2  Des

used fo

anneale

machin

(BK+S), 

tube en

and tra

mechan

hydraul

us total forc

ng equation

ere, 

sign Calcula

ST52 is low

r  Hydrau

ed or norma

ability and 

with yield 

nds capped 

ST52  Hyd

nsport  lifti

nical  tools 

lic pressure

 

 

 

e acting at s

n (4.1.1)  

ations of Hy

w carbon ste

lic  Cylind

alized. Hydr

weldability

strength ov

for protect

raulic Cylin

ing  equipm

and equip

e, pneumati

single hook

 

ydraulic Cyl

eel grade, e

er  Tubes

raulic Cylind

y  property.

ver 520 MP

ion. [93] 

der  Tubes

ment,  wast

pment,  com

c cylinder, o

36 

k = 12500 N 

linder 

xcellent we

.  Normall

der Tubes S

  Supplied 

Pa. The  insid

s,  applicab

te disposal 

mpressors 

oil pump ba

= 1.25 Ton

eldable, the

ly  supplie

ST52 and ST

seamless, 

de diamete

ble  to mac

transport, 

and  earth

arrel. 

e most wide

ed  stresse

T52.3 are fo

cold  drawn

er is honed 

chinery,  h

food  proc

 moving  e

Design calc

ely used ste

ed  relieve

ound with e

n  &  stress 

and oiled w

oists,  auto

cessing equ

quipment 

culations  

el grade 

ed  and 

excellent 

relieved 

with the 

omotive 

uipment, 

etc. like 

Page 63: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Design Calculations of Hydraulic Cylinder 

37  

 

2

2 2

2

Pr 160 200 /

200 9.81Pr , / 19.62 /

100, , Pr ,

5000 9.81 19.624

56.41 63

, 63 .

i

i

essure Range Considered to kg cm

essure p N mm N mm or MPa

Force F Area A essure p

d

d mm mm

So thediameter of piston rod is taken mm standard  

 

The  inside  diameter  is  honed  and  oiled  with  the  tube  ends  capped  for  protection.  ISO 

standard cylinder bore size is 32, 40, 50, 63, 80, and 100 mm.  

93

.

Hydraulic Cylinder Tube ‐ ST52  

Compressive/ Tensile yield strength=250MPa

Ultimate tensile strength, = 520MPa

520104

5

ult

ultt

ForHydraulic cylinder tubematerial is steel

MPaFOS

 

 

' : .(3.1.1)

63 104 19.621 1

2 2 104 19.62

6.63 8

,

, 1.75.

1.75 1.75 6

t ii

t i

O

i

O i

By Lame s equation asper Eq

pdt

p

t mm

By taking the ratio of externaldiameter of cylinder d to

the internaldiameter of cylinder d is

d d

3 110 .mm

 

 

The piston rod size available with cylinder bore 110 mm is 63 mm. 

 

 

 

 

Page 64: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Design calculations 

38  

2

cr 2

cr

2

Buckling calculation for piston rod :

According to Euler 's equation,

n. .E.AP ........Eq.(4.2.1)

LK

where, P Critical load (N) 5 ton 5000kg 49050 N

n end fixitycoefficient

n 1 if both ends hinged

E 207000 N / mm

L 29

4

2

00mm

.dI d64K

.dA 44

By putting all these values, weget d 45mm,

but in our caseint ernaldiameter is63mm,hencesafein buckling also.

 

4.3 Design for pin joint 

Cylindrical  pin  joints  are  used  in  container  lifting  device mainly  at  three  interconnections 

between  CLD  base  to  hydraulic  cylinders,  hydraulic  piston  rod  to  big  link  and  big  link  to 

trailer base. Cylindrical pin joints are used to connect different component of CLD and help 

to transmit motion between them. To sustain load and for proper functioning of CLD model 

it is necessary to design cylindrical pin joint.                       

(A) (B) (C)

Fig. 4.3 Cylindrical pin joints (A) base to hydraulic cylinders (B) hydraulic piston rod to big link (C) big link to trailer base.

For  the design of  the cylindrical pin,  it  can be  fail  in  to double  shear  in  loading condition. 

Material selected for design of cylindrical pin is medium carbon steel. 

Page 65: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Design for pin joint 

39  

P = 168000 N,   y = 400 MPa,   y = 400 * 0.58 = 232 MPa,     F.O.S = 3  

     2

2

2

P P

A d

       (∵A =πd /4) 

      2d  = 2P

π y

FOS

 

      d= 37.2 ≈ 40 mm 

4.4  Design Calculation of Cross‐Rod 

Fig. 4.4 Drawing of Cross‐rod used in CLD 

3 4

        ,

,

         

     

32....

 

.. .(3.4

 

   

.1)1

bb

o

i

o

i

o

b

For hollow circular cross section

Where

Inside diameter of hollow shaft

Outside diameter of hollow shaft

Masper Eq

d C

dC

d

d

d

M Bending moment

 

 

 

 

 

 

 

24525 N

150 .

24525 150 24525 150 ( )

7357500 .

(

2

)

50

b

b

Assuming downward Load on pipe at a distance

of mm from fixed end from both side

We get force distance

M

N mm

Yield strength of mild steel MP and

M

a

...... .(4.4.1)

25083.3

,

33

3.3.1 4.4.1

0.8

115 =

ytb

i o

Eq

After solving equation and we get

Outer diameter of hollow circular shaft is

Inner diameter of hollow circular shaf

SMPa

FOS

d Ct dis

115 mm

92mm

Page 66: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Design calculations 

40  

For the design of cross‐rod material selected is structure steel St 30 with property as given 

below... 

y (Yield stress) = 170 N/mm2 

W = 25000 N,  L = 1830 mm,  a = 115 mm 

D = 115 mm,  F.O.S = 3,   

M = W a  

Now critical point need to be consider for inner diameter calculation is fixe end, load point 

and at centre point. But in this loading condition maximum bending moment is generated at 

fixe  end.  By  considering  combine  effect  of  bending  stress  and  shear  stress  at  fixe  end, 

maximum principal stress at fixe end should be less than yield stress. 

As per Eq. (3.4.1), (3.4.2) and (3.4.3) 

2 2

1 3 4 3 4 2 2

16 16 4

1 1 1

M M W

D C D C D C

                     (σ1= . .

y

f o s

 )                    

By trial and error method final found value of ratio of diameter is… 

C ≈ 0.8 

So, inner diameter d = C D  

      = 0.8   115 

      ≈ 90 mm 

Therefore material thickness of cross‐rod is tc = 12 mm. 

4.5  Design Calculation for Rear Mechanical Jack 

Here,  for  design  of  the  jack  column  structure  steel  plate  of  grade  st  30  is  selected  with 

following specification. 

Ultimate strength = 340 MPa 

Yield strength Fa or Fb = 170 MPa 

p = 5 104 N 

 

 

 

Page 67: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Design Calculation for Rear Mechanical Jack 

41  

 

 

Fig. 4.5 Cross‐section area of column section 

Plate thickness t = 5 mm 

Column Square size = a  

Area of cross‐section A = 20a – 100                                   

F.O.S = 3           

Moment of Inertia,  I =  44a a 10

12

                               

By putting above value in Eq. (3.5.1) and eq. (3.5.2) we get following… 

24

44

1 35.6 10

20 100 10

a

a a a

 

By trial and error method, we got value of a ≈ 100 mm. 

For design of welded joint, size of weld ‘S’ is taken as 3 mm for plate thickness around 5 mm 

and design stress is around 79 MPa for fillet welds from design data book. So, according to 

eq. (3.5.3) 

                                                   L = wel

0.707 p f .o.s

2τSη

 = 280 mm 

          ≈ 300 mm 

By using eq.  (3.5.4) diameter of  locking key and  swinging plate mounting pin  is determine. 

Here material for pin is medium carbon steel. 

y 400 MPa 

Page 68: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Design calculations  

42  

y 400 0.58 = 230 MPa 

d 2 f.o.s

πτ

p= 20.38 mm 

≈ 20 mm 

4.6  Design Calculation of Leaf Spring for CLD Model 

Here  tractor  driven  lifting  device  may  be  used  which  will  lift  up  to  4.5  cubic  meter 

containers. They can use containers of up to 4 to 4.5 cubic meters capacity, which will make 

optimum  use  of  the  tractors.  For  the  smooth  and  jerk  free  motion  of  CLD  model  while 

transportation, it is necessary to design leaf spring. Here the weight of container when fully 

loaded  is  around  2000kg  and  weight  of  CLD  body  is  around  2000kg  without  considering 

container.  

So,  

Total force on leaf spring = 4000*10                                                    (take g= 10 N/mm2) 

                                              = 40,000 N 

Because of road irregularity and bump instant jerk produces and stress induce at same load 

is higher than normal and in this condition force acting on leaf spring is more than normal 

so, while design we consider higher value of force is.. 

Total force on leaf spring = 40,000*1.5 

                                              = 60,000 N 

Force at leaf spring eye F = 60,000/4 

                                             = 15,000 N 

 

Material of the spring is 50 Cr 1 V 23 spring steel. 

Yield stress  y 180 kgf / mm2 (1800 MPa) 

Young modulus E = 200 GPa 

F.O.S = 2 

Number of graduated‐length leaves including master leaf ng = 6 

Number of extra full‐length leaves fn   = 1 

Total number of leaves n = 7 

Width of each leaf b = 70 mm 

Length of span or overall length of the spring 2L1 = 1000 mm 

Distance between centres of U‐bolts  l = 100 mm 

Page 69: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Design Calculation of Leaf Spring for CLD Model 

43  

Effective length of semi‐ elliptic spring 2L = 933 mm                               [from Eq. (3.6.2)] 

By using Eq. (3.6.12), thickness of leaf (t) is... 

ft = f f g

18FL

bσ 3n 2n

     

yσσ

f .o.sf

 

                                             = 11.55 ≈ 12 mm 

By using eq. (3.6.11), thickness of leaf (t) is... 

gt =  g f g

12FL

bσ 3n 2n    

yg

σσ

f .o.s

 

                                                      = 9.43 ≈ 10 mm 

Here,  tf > tg 

Therefore t = tf = 12 mm 

By using eq. (3.6.13), deflection of leaf spring is... 

                                               y =  3

3f g

12FL

Ebt 3n 2n 

= 61.48 ≈ 62 mm 

so, camber of leaf spring is taken more than deflection y because it prevent strike the upper 

face of leaf to the vehicle chassis on over loading. 

                                              Camber   δ = 80 mm 

By using eq. (3.6.3, 3.6.4, 3.6.5), we can compute length of each leaf spring like… 

              Length of smallest leaf of the leaf spring  L7 = (933/7) + 67 

 = 222 mm 

Length of next leaf   L6 = 378 mm 

L5 = 538 mm 

L4 = 690 mm 

L3 = 844 mm 

L2 = 1000 mm 

By using eq. (3.6.6), Length of Master Leaf is… 

                                    = 1000 + π (20 + 12) × 2                              (∵eye dia. d = 20 mm) 

                                    = 1201 mm 

By using eq. (3.6.7), the radius of curvature(R) is… 

                                            R =  

21L

δδ

2

 = 1522 mm 

Page 70: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Design calculations 

44  

4.7  Selection of Hoisting Chain Link for Container Lifting  

The  chain  is  one  of  the  most  familiar  for  hoist  as  well  as  one  of  the  most  useful  of 

mechanical device. It is made up of a series of links fastened through each other. Each link is 

made of a rod of wire bent into an oval shape and welded at one or two points. The weld 

ordinarily causes a slight bulge on  the side or end of  the  link. The chain size  refers  to  the 

diameter in millimeter (mm) of the rod used to make the link. Simple terms used with chain 

are given below. 

Working Load Limit (WLL) 

The "Working Load Limit" (rated capability) is the highest load that shall be applied in direct 

tension to an undamaged straight length of chain. 

Proof Test 

The "Proof Test" (manufacturing test force) is a term designating the minimum tensile force 

which  shall  be  applied  to  a  chain  under  a  continuously  increasing  force  in  direct  tension 

during  the manufacturing process. These  loads are manufacturing  integrity  tests and shall 

not be used as criterion for examination or design purpose. 

Minimum Breaking Force 

The  "Minimum  Breaking  Force"  is  the  least  force  at  which  the  chain  during  the 

manufacturing  has  been  found  by  testing  to  break  when  a  continuously  rising  force  is 

applied  in direct  tension.  This  test  is  a manufacturer's  attribute  acceptance  test  and  shall 

not be used as a criterion for service or design purposes.  

Overhead Lifting 

That process of  lifting  that would elevate a  freely  suspended  load  to  such a position  that 

dropping the load would present a possibility of bodily injury or property damage. 

Overload 

Any static or dynamic load is in excess of "Working Load Limit." 

 

 

 

Page 71: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Selection of Hoisting Chain Link for Container Lifting  

45  

Fig.4.6 Model of chain link

4.7.1 Materials for chain link 

Carbon chain 

The selection of the base steel is left to the verdict of the individual chain manufacturer 

provided  the  steel  meets  the  following  criteria:  Carbon,  0.35%  max.;  Phosphorous, 

0.040% max.; and Sulphur, 0.050% max.  

Alloy chain 

The selection of chain and amounts of the alloying elements present in the steel are left 

on the opinion of  the  individual chain manufacturer. Generally  the steel used for chain 

manufacturing  meets  the  following  composition:  Carbon,  0.35%  max.;  Phosphorous, 

0.035% max.; Sulphur, 0.040% max. Nickel must be present as an alloying amount (0.40% 

min.),  and  at  least  one  of  the  following  elements must  also  be  present  as  an  alloying 

amount: Chromium (0.40% min.) or Molybdenum (0.15% min.). 

Stainless steel chain 

The material  used  in manufacturing  this  chain  shall  be a 300  series  austenitic  stainless 

steel. 

Now, selection of an open‐link chain by using the following rule of thumb  

SWC =  28 D  

SWC = Safe working capacity in tons 

D = chain link diameter/thickness in inches 

Page 72: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Design calculations 

46  

For a 5/8 “diameter chain link by using above equation, 

SWC = 8× (5/8)2 = 3.125 tons 

 

 

Table 4.1 Grade 80 alloy chain standard by national association of chain manufacturer [100] 

 

Now  according  to  loading  situation  of  container  while  operation,  chain  link  size 

should be selected within working load limit of 8200 kg. So, as per the standard of National 

association of chain manufactures for welded steel chain 

Inside length (max) L = 51 mm 

Inside width (min) E = 24 mm 

Material diameter D = 16 mm = 5/8” 

Working load limit (max) = 8200 kg 

Min breaking force = 322 kN = 32834.86 kg 

So we select  the chain  link  from above table 4.1  for grade 80 alloy materials with 16 mm 

diameter, inside width 24 mm and inside length of 51.2 mm. 

   

Page 73: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

 

 

47  

CHAPTER 5 

MODELLING AND ANALYSIS OF CONTAINER LIFTING DEVICE 

5.1   3D Modelling 

The  modelling  has  been  performed  on  the  Solid  Works  2014  and  then  after  the 

analysis work has been performed on the ANSYS 15.0 version. 

5.1.1 Salient Features of Modelling Software  

Solid  Works  is  a  parametric  and  feature  based  solid  modelling  tool.  It  allows 

converting the basic 2D drawing into a solid model using very easy modelling tools. 

It creates a digital prototyping as opposite to the physical prototyping by integrating 

2D drawings and 3D data into a single digital model. 

It  can quickly and easily create stunning  renderings, animations and presentations, 

which improve communication. 

It  can  easily  create  and  contribute  production  ready  drawings  for  manufacturing 

teams. 

The automatic updating characteristic allows doing easy changes in model. 

It  also  helps  in  improving  visualization  of  the  solid  model  and  understanding  its 

drawing. 

It also gives more  flexibility  in editing  the solid model  to  imagine  the effect of  the 

changes. 

Define,  group,  and  apply  properties  such  as  loads,  constraints,  and  materials—

making it easier to accurately predict product performance. 

5.2  Finite Element Analysis (FEA) 

It is widely accepted method of accessing product performance without the need for 

physical  building  and  testing.  It  also  shortens  prototype  development  cycle  times  & 

facilitates  quicker  product  launch.  FEA  consists  of  a model  of  a material  or  design  that  is 

loaded  and  analysed  for  specific  results.  It  is  used  in  new  product  design,  and  existing 

product refinement. 

Steps Required For Development of FEA Model 

Steps required for development of finite element model are as under: 

Page 74: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Modelling and Analysis of container lifting device 

48  

Assigning material and its properties to various parts. 

Discretize and choose element types. 

Choose a displacement function. 

Derive the element stiffness matrix and equations. 

Generate global or total equations from the element equations and introduce loads 

and boundary conditions. 

Solving for elemental strains and stresses and interpretation of the model 

5.3  Transient Structural Analysis of Container Lifter Model in ANSYS 

Transient  structural  analysis  provides  users with  the  ability  to  decide  the  dynamic 

response of the system under any type of time‐varying loads. Unlike rigid dynamic analyses, 

bodies  can  be  either  rigid  or  flexible.  For  flexible  bodies,  nonlinear  materials  can  be 

included, and stresses and strains can be output. Transient structural analysis is also known 

as  time‐history  analysis  or  transient  structural  analysis.  Transient  structural  analysis 

encompasses static structural analysis and rigid dynamic analysis, and it allows for all types 

of Connections, Loads, and Supports. 

In a transient structural analysis, Workbench Mechanical solves the general equation 

of motion: 

       [M]{Ẍ}+[C]{Ẋ} +[K]{X}={F(t)}                 ………Eq. (5.3.1) 

Some points of interest: 

Applied loads and joint conditions may be a function of time and space. 

As  seen  above,  inertial  and  damping  effects  are  now  included.  Hence,  the  user 

should include density and damping in the model. 

Nonlinear  effects,  such  as  geometric,  material,  and/or  contact  nonlinearities,  are 

included by updating the stiffness matrix. 

Transient  structural  analysis  can  be  both  linear  and  nonlinear.  All  types  of 

nonlinearities are allowed like large deformations, plasticity, contact, hyper elasticity and so 

on. The transient structural analysis that specifically uses the ANSYS Mechanical APDL solver 

also  ANSYS  Workbench  offers  an  additional  solution  method  of  Mode  Superposition  to 

perform linear transient structural analysis.  

   

Page 75: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Transient Structural Analysis of Container Lifter Model in ANSYS 

49  

5.3.1  Steps for transient analysis in ANSYS Workbench 

Create  Analysis  System:  Select  any  dynamic  analysis  template  like  Transient  Structural, 

harmonic analysis etc. and drag it in to Project Schematic. 

Define Engineering Data: According to types of material used in analysis, select material and 

its property. Like linear material, isotropic material, temperature dependent material etc. 

Attach Geometry: Virtual 3‐D model  from any solid modelling  software,  for calling of  this 

solid model in ANSYS system it is need to convert in to IGES. OR STEP. File.  

Define Part Behaviour:  In a transient structural analysis, rigid parts are allow to use model 

mechanisms that have particular motion, movement and relocation of loads between parts, 

but  stress  and  strain  distribution  is  not  of  attention.  The  output  of  any  rigid  part  is  the 

overall  motion  of  that  part  and  any  force  transferred  via  that  part  to  the  rest  of  the 

structure. A point mass  connected  to  the  rest of  the  structure  through  joints  is  known as 

“rigid”  part.  Hence  in  a  transient  structural  analysis  the  only  appropriate  loads  on  a  rigid 

part are the acceleration and rotational velocity loads. Additional load may be applied to a 

rigid part via joint loads. 

Define Connections: All Contact,  joints and springs are applicable  in a  transient  structural 

analysis.  In  a  transient  structural  analysis,  user  can  give  number  of  joints  and  contacts 

between parts according to application.  

Apply Mesh Controls/Preview Mesh: An enough mesh concentration shall be provided on 

contact  surfaces  to  permit  contact  stresses  to  be  distributed  in  a  soft manner.  Similarly, 

adequate  mesh  density  shall  be  provided  for  resolving  stresses  particularly  at  the  areas 

where  stresses  or  strains  are  of  concern.  At  these  areas  comparatively  fine  mesh  are 

required as compared to displacement or nonlinearity resolution. The mesh should be such 

that  it  shall  be  able  to  capture  the  effects  of  the  nonlinearities,  if  they  are  included.  For 

example,  plasticity  requires  a  sensible  integration  point  density  and  consequently  a  fine 

element mesh in areas with high plastic deformation gradients. To represent the peak mode 

shape of interest in a dynamic analysis, the mesh shall be fine enough. 

 

 

Page 76: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Modelling and Analysis of container lifting device 

50  

Establish Analysis Settings:  For transient structural analyses, the basic controls are:  

Usually  slender  structures  are  subjected  to maximum  deflection.  If  the  transverse 

displacement  in  a  slender  is  more  than  10%  of  the  thickness  that  will  be  shown  by  the 

maximum deflection. 

Output controls allows specifying the time points at which results shall be available 

for post processing. It is necessary to perform lots of solutions at midway time in a transient 

nonlinear analysis. However as the size of all  intermediate results  file  is so bulky and  if all 

the  intermediate  results  are  not  required  then  it  should  be  modified  as  per  users’ 

requirement except for stress and strain. 

Convergence  criteria  and  other  specific  solution  controls  are  modified  using 

nonlinear  controls.  There  is  no  need  to  change  the  default  values  for  using  this  control. 

These can be modified as step basis.   

Damping  for  the  structure  in  a  transient  analysis  shall  be  specified  by  damping 

controls. The following damping controls are available for transient analysis: 

1) Beta damping and  

2) Numerical damping 

In  addition  to  these  elements  based  damping  for  spring  elements  and  material  based 

damping are also accessible for the transient structural analysis. 

Data  management  setting  allows  saving  specific  solution  files  from  the  transient 

structural analysis  to be used  in other analyses. The default behaviour  is  to keep the  files 

required for post processing. These controls can be used to keep all files created throughout 

the solution or to create and save the Mechanical APDL application database (db file). 

Define Initial Conditions: 

A transient analysis always involves all the loads; those are the functions of the time. 

The foremost step to apply transient loads for setting up initial conditions (i.e. the condition 

at Time = 0). 

The default  first condition  for a  transient structural analysis  is  that  the structure  is 

“at rest”, i.e. both initial displacement and velocity are zero. A transient structural analysis is 

at rest, by default. The Initial Condition of the object allows specifying velocity. 

Page 77: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Transient Structural Analysis of Container Lifter Model in ANSYS 

51  

In several analyses one or more parts will have an initial known velocity such as in a 

drop test, metal forming analysis or kinematic analysis. If required constant velocity at initial 

condition shall be specified in these types of analyses. This constant velocity shall be scoped 

to one or more parts of the structure. The remaining parts of the structure which are not 

part of the scoping will retain the “at rest” in the initial condition. 

Initial condition using steps: Initial conditions are specified using step controls. It can 

be processed by specifying multiple steps in a transient analysis. It will also control the time 

integration effects along with activation or deactivation of loads. This will be very useful for 

different parts of model which are having different initial velocities and more critical initial 

conditions.  

Apply  Loads and Supports: All  inertial,  structural  loads and structural supports  joint  loads 

are used to drive the joints kinematically in transient structural analysis for applicable loads 

or supports.  

In the analysis, load’s magnitude shall be a stable or could fluctuate with time as defined in 

a  table  or  using  the  function.  The  particulars  of  applying  tabular  or  function  load  are 

described in specifying load values. In addition to this the apply loads and supports section 

shows more information about ramped loads and time stepping. 

It is also suggested that for the solver to converge, inclined joint load angles and positions 

from zero to the actual original condition in only single step. 

Solve: While performing nonlinear analysis, there will be convergence difficulties because of 

number  of  reasons.  In  few  examples  initially  open  contact  surfaces  causing  rigid  body 

motions,  large  load  increments  causing  non‐convergence,  material  instabilities  or  large 

deformations. This may cause mesh distortion and that will result in element shape errors. 

Some  tools  are  accessible  under  result  information  object  detail  view  to  recognize  the 

possible problem areas. 

Solution Output: During the analysis it will continuously updates all listing output from the 

solver.  These will  also  provide  precious  information  on  the  behavior  of  the  structure.  As 

explained  in  the  Solution  Information  section,  all  convergence  data  output  is  graphically 

displayed in the printout. 

Page 78: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Modelling and Analysis of container lifting device 

52  

Review  Results:  As  a  result  of  a  transient  structural  analysis,  all  structural  results  are 

available  except  frequencies.  Solution  Information  can be used  to  track,  check or  analyze 

problems that occur during the solution. After the accessibility of solution, the results can 

be  animated  to  review  the  response  of  the  structure.  In  nonlinear  static  analysis,  the 

solutions are available at some time points. Here probe shall be used to show the variation 

of a result as the load increases. 

Loading and Boundary Conditions: 

A load of 5 ton (50000 N) is equally shared by both hydraulic cylinder assemblies as dynamic 

load condition described in Table 5.1 and transient structural analysis is carried out.  

Table 5.1 Rigid dynamic analysis setup for CLD model 

 

As base  is rested on CLD bottom surface hence ground to base  is taken as fixed boundary 

conditions. Hydraulic cylinder assembly, piston to big link and big link to base are displaced 

in  planer  angular  direction with  respect  to  base. Hence  revolute boundary  conditions  are 

considered.  There  is  sliding motion  of  piston  rod  inside  the  hydraulic  cylinder  hence  the 

translation  type  joint  is  considered.  Cross  rod  to  big  link  is  having  rigid  joint  hence  fixed 

boundary condition is considered. 

5.4  Dynamic Analysis of Container Lifting Device 

 

Step 1) 3‐D model of existing container lifting device build and assemble in Solid Works 14.0 

 

 

 

 

Analysis setup  Object name  Value 

Acceleration  All body  9.8 m/s2 in global C. S. +y axis 

Remote force  Cross‐ rod  25000 N in global C. S.  –y axis 

Joint velocity  Cylinder‐ piston pair  20 mm/s in reference C. S. +x axis 

Remote 

displacement 

Cylinder, piston, big link  1) x displacement is 0 mm 

2) rotation in y and z axis is 00 

Page 79: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Dynamic Analysis of Container Lifting Device 

53  

 

 

Fig. 5.1 Solid Works 3‐D model of container lifting device 

Step 2) For perform ANSYS dynamic analysis convert SolidWorks assembly file .SLDASM in to 

ANSYS .STEP file. 

Step  3)  Assign  material  property  to  each  and  every  individual  parts  of  container  lifting 

device. 

Table 5.2 Material and its property for individual component of CLD 

 

Material and it’s property 

Component of CLD modal 

Hydraulic 

cylinder 

Piston 

rod 

Cross‐rod  Big link  Base 

Material  ST 52  SAE 1045  S 355 

Density (Kg/m3)  7800  7872  7800 

Tensile Yield stress(Pa)  520  310  355 

Compressive yield stress (Pa)  520  310  355 

Ultimate stress (Pa)  900  565  470 ‐ 630 

Young’s Modulus (GPa)  200  200  210 

Poisson's Ratio  0.3  0.29  0.3 

Bulk Modulus (GPa)  167  158  175 

Shear Modulus (GPa)  77  77.5  80.7 

Page 80: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Modelling and Analysis of container lifting device 

54  

Step  4)  Generate  geometry  in  ANSYS  and  give  adequate  connection  between  parts  to 

allowed motion  like  body  to  body  or  body  to  ground.  In  CLD model  connection  or  joint 

applied between parts are as follows… 

Table 5.3 Joint applied to different pair of CLD component 

Object name  Type of joint  Type of connection 

Ground to base  Fixed  Body to ground 

base to cylinder  Revolute  Body to body 

cylinder to piston  Translation  Body to body 

piston to big link  Revolute  Body to body 

big link to base  Revolute  Body to body 

cross rod to big link  Fixed  Body to body 

 

 

 

Fig. 5.2 Joints between individual components of CLD model 

5.4.1 Rigid dynamic analysis of CLD model 

For rigid parts, the following conditions apply: 

Line bodies cannot be set to rigid. 

Multibody parts must have all bodies set to rigid. 

Density is the only material property needed to calculate mass properties. All other 

material specifications will be ignored. 

Page 81: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Dynamic Analysis of Container Lifting Device 

55  

An “Inertial Coordinate System” will automatically be defined at the centroid of the 

part 

Rigid bodies are  rigid,  so no  stresses,  strains, or  relative deformation  is  calculated. 

Hence, no mesh is required 

Step 5) In Analysis setting number of step taken is one with end time is 60s.  

Table 5.4 Analysis setting in rigid dynamic analysis of CLD model 

Number Of Steps  1 

Current Step Number  1 

Step End Time  60 s 

Auto Time Stepping  on 

Initial Time Step  1.e‐002 s 

Minimum Time Step  1.e‐007 s 

Maximum Time Step  5.e‐002 s 

Time Integration Type  Runge‐Kutta 4 

Relative Assembly Tolerance  on 

Store Results At  All Time Points 

Step  6)  In  Rigid  dynamic  analysis  CLD  model  setup  like  load  (Equally  shared  by  both 

hydraulic cylinder assembly, 25000 N), velocity, displacement etc. are given below. 

 

Fig. 5.3 Remote force, constrain, joint velocity, acceleration shown in CLD model 

Page 82: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Modelling and Analysis of container lifting device 

56  

Step7) Aim to perform rigid dynamic analysis is to find out force generate at different joint 

probe and working behaviour of model in 3‐D space. After completion of solution result are 

found are as follows. 

 

Fig. 5.4 Force shown on translation joint probe 

 

Fig. 5.5 Translation joint force change with time 

 

 

 

‐2.00E+05

‐1.50E+05

‐1.00E+05

‐5.00E+04

0.00E+00

5.00E+04

1.00E+05

1.50E+05

0 10 20 30 40 50 60 70

Force (N)

Time (Sec.)

Page 83: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Dynamic Analysis of Container Lifting Device 

57  

Table 5.5 Value of translation joint force with respect to time 

Second  Force(N)    Second Force(N) Second  Force(N)

0  1.12 510   21 ‐7547.7 41 ‐60160 

1  90991 22 ‐10081 42 ‐63323 

2  76687 23 ‐12589 43 ‐66595 

3  65865 24 ‐15079 44 ‐69992 

4  57219 25 ‐17557 45 ‐73526 

5  50034 26 ‐20029 46 ‐77218 

6  43884 27 ‐22625 47 ‐81088 

7  38497   28 ‐24978 48 ‐85161 

8  33688 29 ‐27467 49 ‐89467 

9  29330 30 ‐29971 50 ‐94043 

10  25327 31 ‐32496 51 ‐98932 

11  21611 32 ‐35047 52 ‐1.04  510  

12  18128 33 ‐37630 53 ‐1.10  510  

13  14837 34 ‐40250 54 ‐1.16  510  

14  11704 35 ‐42913 55 ‐1.23  510  

15  8703 36 ‐45624 56 ‐1.31  510  

16  5811.6 37 ‐48391 57 ‐1.39  510  

17  3011.7 38 ‐51220 58 ‐1.50  510  

18  288.1 39 ‐54118 59 ‐1.61  510  

19  ‐2372.4  40 ‐57095 60 ‐1.76  510  

20  ‐4981  

 

5.4.2 Transient dynamic analysis of CLD model 

Step5)  Meshing  is  to  be  done  by 

automatic generate mesh option with 

element  shape used was  tetrahedral. 

Total  numbers  of  element  is  33790 

with numbers of node is 69041. 

 

 

                                                                                            Fig. 5.6 Fine meshing of CLD model 

Page 84: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Modelling and Analysis of container lifting device 

58  

 

Step 6) In Analysis setting number of step taken is one with end time is 60s.  

Table 5.6 Transient dynamic analysis setting 

Number Of Steps  1 

Current Step Number  1 

Step End Time  60. s 

Auto Time Stepping  on 

Initial Time Step  0.1 s 

Minimum Time Step  0.1 s 

Maximum Time Step  0.1 s 

Time Integration  on 

Newton Raphson option  Program control 

Store Results At  All Time Points 

 

Table 5.7 Transient dynamic analysis setup of CLD model 

 

 

 

 

 

 

Step 7) In transient dynamic analysis CLD model setup like load, velocity, displacement etc.  

are given below. 

 

 

 

 

 

Analysis setup  Object name  Value 

Acceleration  All body  9.8 m/s2 in global C. S. +y 

Remote force  Cross‐ rod  25000 N in global C. S.  ‐y 

Joint velocity  Cylinder‐ piston pair  20 mm/s in reference C. S. +x 

Page 85: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Dynamic Analysis of Container Lifting Device 

59  

 

Fig. 5.7 Time varying force applied on piston 

 

Fig. 5.8 Time varying reaction force applied on cylinder 

 

Fig. 5.9 Remote force, constrain, joint velocity, acceleration shown in CLD model for 

transient analysis 

‐200000

‐150000

‐100000

‐50000

0

50000

100000

150000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61

‐150000

‐100000

‐50000

0

50000

100000

150000

200000

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61

Page 86: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Modelling and Analysis of container lifting device 

60  

Step  8)  Aim  to  perform  transient  dynamic  analysis  is  to  find  out  time‐history  charts  to 

understand  the  transient  response  of  the  system.  Like  time  varying  stress,  strain, 

acceleration, joint force and moment etc. After completion of solution result are found are 

as follows. 

 

Fig. 5.10 Von‐Mises stress contour generated in CLD model 

 

Fig. 5.11 Maximum Von‐Mises stress generate in CLD model 

 

 

 

 

 

 

Page 87: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Dynamic Analysis of Container Lifting Device 

61  

 

 

Fig. 5.12 Maximum value of Von‐Mises stress change with time 

 Fig. 5.13 Equivalent elastic strain contour generated in CLD model 

 

 Fig. 5.14 Maximum value of Equivalent elastic strain change with time 

 

 

0.00E+00

2.00E+07

4.00E+07

6.00E+07

8.00E+07

1.00E+08

1.20E+08

1.40E+08

1.60E+08

1.80E+08

0 10 20 30 40 50 60 70

VON‐MISES STR

ESS (PA)

TIME (SEC.)

0.00E+00

1.00E‐04

2.00E‐04

3.00E‐04

4.00E‐04

5.00E‐04

6.00E‐04

7.00E‐04

8.00E‐04

9.00E‐04

1.00E‐03

0 10 20 30 40 50 60 70

Von‐mises Strain (m/m

)

Time (Sec.)

Page 88: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Modelling and Analysis of container lifting device 

62  

 

 Fig. 5.15 Total deformation of CLD model 

 

 Fig. 5.16 Total deformation of CLD model with respect to time 

 

  

Fig. 5.17 Cylinder‐ base total revolute joint probe force 

0.00E+00

5.00E‐01

1.00E+00

1.50E+00

2.00E+00

2.50E+00

3.00E+00

3.50E+00

4.00E+00

4.50E+00

0 10 20 30 40 50 60 70

DISPLA

CEM

ENT (M

)

TIME (SEC.)

Page 89: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Dynamic Analysis of Container Lifting Device 

63  

 

 

Fig. 5.18 Time varying total cylinder‐ base revolute joint force 

 Fig. 5.19 Big link‐ base total revolute joint probe force 

 

 Fig. 5.20 Time varying total big link‐ base revolute joint force 

0.00E+00

2.00E+04

4.00E+04

6.00E+04

8.00E+04

1.00E+05

1.20E+05

1.40E+05

1.60E+05

1.80E+05

0 10 20 30 40 50 60 70

Total Force on Joint (N)

Time (Sec.)

0.00E+00

2.00E+04

4.00E+04

6.00E+04

8.00E+04

1.00E+05

1.20E+05

1.40E+05

1.60E+05

1.80E+05

0 10 20 30 40 50 60 70

Total Force on Joint (N)

Time (Sec.)

Page 90: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Modelling and Analysis of container lifting device 

64  

 Fig. 5.21 Big link‐ piston rod total revolute joint probe force 

 

 Fig. 5.22 Time varying total big link‐ piston rod revolute joint force 

 

 

Fig. 5.23 Safety factor contour generate in CLD model 

0.00E+00

2.00E+04

4.00E+04

6.00E+04

8.00E+04

1.00E+05

1.20E+05

1.40E+05

1.60E+05

1.80E+05

0 10 20 30 40 50 60 70

Total Force on Joint (N)

Time (Sec.)

Page 91: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Dynamic Analysis of Container Lifting Device 

65  

 

 Fig. 5.24 Minimum time varying safety factor 

5.5 Static Analysis of Leaf Spring 

Step 1) 3–D solid model of leaf spring with help of SolidWorks 14.0 

 

Fig. 5.25 3‐D model of leaf spring 

Step 2) convert SolidWorks .SLDPRT file in to .STEP file and import in to ANSYS workbench 

15.0. 

Step 3) Apply no separation contact between pair of each leaf. 

Step 4) Generate mesh in leaf spring model 

Step 5) Applied load and constrain to model 

 

 

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70

Saftey Factor

Time (Sec.)

Page 92: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Modelling and Analysis of container lifting device 

66  

 Fig. 5.26 Load and constrain applied to model of leaf spring 

 Steps 6) after completion solution, result are found like below.  

 Fig. 5.27 Stress generated in leaf spring 

 

 Fig. 5.28 Strain generated in leaf spring 

Page 93: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Static Analysis of Mechanical Jack 

67  

5.6  Static Analysis of Mechanical Jack 

Step 1) 3–D solid model of mechanical jack with help of SolidWorks 14.0 Step 2) convert SolidWorks .SLDPRT file in to .STEP file and import in to ANSYS workbench 

15.0. Step 3) Apply no separation contact to pair of box column and revolute joints at hole for 

locking pin and inner column to swinging base. 

Step 4) Generate the mesh in mechanical jack. 

Step 5) Applied load and constrain to model 

 Fig. 5.29 Load and constrain applied to model of mechanical jack 

 Step 6) after completion solution, results are found like below.  

 Fig. 5.30 Stress generated in mechanical jack 

Page 94: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Modelling and Analysis of container lifting device 

68  

 

Fig. 5.31 Strain generated in mechanical jack 

5.7  FFT Analyzer used for vibration measurement of hydraulic cylinder 

Hydraulic  cylinders  are  actuating  devices  converting  the  hydraulic  energy  of  the 

pressurized fluids into the mechanical energy needed to control the movement of machine 

linkages and attachments. Hydraulic  cylinders are used at high pressures and create huge 

forces  and  precise  movements.  For  this  reason  they  are  constructed  of  strong  materials 

such as steel and designed to withstand heavy forces. The fluid pushes the face of the piston 

and produces a force. 

Hydraulic  cylinders  are  one  of  the  most  important  components  of  the  hydraulic 

systems used in a different industrial application. Design of a hydraulic cylinder consists of a 

different  loading  and  boundary  conditions.  Vibration  of  the  cylinder  during  working 

condition is one of the most crucial elements of the failure criterion. In the container lifting 

device operated by tractor, the most critical part is two hydraulic cylinders of 5 ton capacity. 

It would be very  important  to optimize  the dynamic  characteristics of hydraulic  cylinders, 

because on the case of they will have to carry out the operation with huge weight inertia. 

During the analysis, the dynamic characteristics of hydraulic cylinders are obtained by using 

the  Time  Capture  Analysis  and  Real‐time  FFT,  which  is  equipped  on  the  container  lifting 

device with tractor used for solid waste management.  

In the CLD operated by a tractor, the diesel engine would be pointed out as the main 

source of power that creates the noise and vibration problems. The major requirements of 

Page 95: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

 

hydraul

dynami

from th

          Fi

cylinde

should 

way  to

cylinde

hydraul

firing co

from th

 

compon

underst

interpre

transfo

returns

Fourier 

returns

into a fi

transfo

used  fo

measur

lic  cylinder 

c  elasticity

he main sou

g: 5.32  Hyd

As  a  stand

rs and thei

be propose

o  acquire  t

rs  and mou

lic cylinder 

omponents

he firing com

The  Fast  F

nents.  Man

tanding of a

et.  By  using

rmed and m

  the  freque

transform

  a  discrete 

inite numbe

The  portab

rm  (FFT) vi

or  fault  de

rement  poi

assembly 

  for  horizo

rce of hydr

draulic Cylin

ard  test  pr

r mount sy

ed using re

he  dynami

untings.  The

and mount

s when the 

mponent th

Fourier  Tra

ny  times  a 

a phenome

g  a  Fourier

much bette

ency  spect

.  Thus,  the

  spectrum, 

er of freque

ble  conditi

bration ana

etection  by

nts.  Each  n

FFT Analy

are:  1)  hig

ontal  directi

aulic oil. 

nder[49]        

rocedure w

stem of the

al‐time FFT

ic  characte

e most  imp

ts system w

engine goe

e real‐time 

ansform  (FF

transforma

non. The tim

r  series  rep

er understoo

rum  of  the

  FFT  does 

in which  t

ency lines, o

ion‐monito

alyzer base

y  recording 

newly  recor

yzer used for 

69 

gh  durabilit

ion  and  4) 

    

          Fig: 5

which  can  c

e container

T and time c

eristics  for 

portant  poi

would be to

es off  for  in

FFT and tim

FT)  resolve

ation  is  pe

me represe

presentation

od. The FFT

e  data.  The

not  yield  a

the  frequen

or bins. 

ring  system

d on batter

and  storin

rded  spectr

vibration m

ty  2)  streng

absorbing 

5.33 Hydrau

heck  the  n

r  lifting dev

capture ana

such  a  sys

nt  to meas

o separate t

nstant. To s

me capture 

es  a  time  w

rformed  to

ntation of a

n,  the  origi

T takes a b

e  FFT  is  a  d

a  continuou

ncy  content

m  consists 

ry power. T

ng  vibratio

rum  can  be

easurement 

gth  to  vert

the  vibrati

lic Cylinder

atural  freq

ice, the me

alysis.  It wo

stem  comb

sure  the  na

the natural 

separate  th

analysis are

waveform 

o  provide  a

a sine wave

inal  time  si

lock of time

digital  impl

us  spectrum

t  of  the wa

of  a  por

This vibratio

n  spectra 

e  compared

of hydraulic

tical  shock 

on  power 

s with Bush

uency  of  h

easurement

ould be the

bined  by  h

atural  frequ

vibration f

e natural v

e adapted. 

into  its  sin

a  better  or

e may be dif

ignal  can  b

e‐domain d

ementation

m.  Instead, 

aveform  is r

table  fast 

on analyzer

from  each

d  with  a  re

c cylinder 

3)  high 

induced 

 

h[49] 

ydraulic 

t system 

e easiest 

hydraulic 

uency  of 

rom the 

vibration 

nusoidal 

  clearer 

fficult to 

be  easily 

data and 

n  of  the 

the  FFT 

resolved 

Fourier 

r  can be 

  of  the 

eference 

Page 96: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Modelling and Analysis of container lifting device 

70  

spectrum that was recorded at that particular measurement point when the machine was 

known to be in good condition. 

The fast Fourier transform (FFT) is an efficient algorithm used to compute a discrete 

Fourier transform (DFT).  This Fourier transforms outputs vibration amplitude as a function 

of  frequency  so  that  the  analyzer  can  understand  what  is  causing  the  vibration.   The 

frequency  resolution  in  an  FFT  is  directly  proportional  to  the  signal  length  and  sample 

rate.  To improve the resolution the time of the recording must be extended; but be careful 

of a changing vibration environment.   

A  spectrogram  takes  a  series  of  FFTs and  overlaps  them  to  illustrate  how  the 

spectrum  (frequency domain)  changes with  time.   If  vibration  analysis  is  being done on  a 

changing environment, a spectrogram can be a powerful tool to illustrate exactly how that 

spectrum of the vibration changes. 

A  power  spectral  density  (PSD)  takes  the  amplitude  of  the  FFT, multiplies  it  by  its 

complex conjugate and normalizes  it  to  the  frequency bin width.   This allows  for accurate 

comparison of random vibration signals that have different signal lengths.  For this reason, 

PSDs are  typically used  to describe  random vibration environments  like  those  specified  in 

military and commercial test standards. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 97: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

FFT Analyzer used for vibration measurement of hydraulic cylinder 

71  

 

Page 98: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

 

5.8  OM

It is able

Do

Po

Da

Si

Ex

O

PR

 A

O

an

Ov

m

pr

Dy

fa

pa

MNITREND s

e to evaluat

ominant an

owerful cus

ata exchang

mple to use

xisting in 13

MNITREND

RUFTECHNI

An instinctiv

MNITREND

nalysis tools

verview of 

many  more 

roblems com

ynamic nar

ailure  of  be

art or gear 

software an

te machine

nalysis of too

stomize repo

ge with Com

3 languages 

  is  the  wo

K Condition

ve tree conf

 manages c

s. 

vibration t

current  m

mpetently. 

row freque

aring,  unba

noise prob

nd its applic

’s fitness an

ols for effic

orting. 

mputerized 

Fig.5.34 O

orldwide  an

n Monitorin

iguration m

cyclic meas

rends, shoc

measureme

 

ency band a

alance  of w

lems etc. G

Mod

72 

cations 

nd keep evid

ient analysi

Maintenan

OMNITREND

nd  comman

ng systems (

maps assets 

urements a

ck pulse res

ent  functio

alarms will 

weights, mis

Generally so

delling and A

dence of as

is of machin

ce Manage

D Software

nding  softw

(handheld a

into a datab

and provide

sults, FFT s

ns  which 

identify any

salignment,

ound of the 

Analysis of co

ssets as show

ne health. 

ment Syste

ware  platfo

and online s

base. 

es with effic

pectra, env

helps  to 

y machine f

  resonance

alarm can 

ontainer liftin

wn below. 

ms (CMMS

orm  for  alm

systems).  

cient and p

velope filter

diagnose  m

failures bec

e,  looseness

be set indiv

ng device 

most  all 

powerful 

ring and 

machine 

cause of 

s  of  any 

vidually, 

Page 99: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

OMNITREND software and its applications 

73  

 

or the predefined ISO alarms as per DU ISO 10316 can be easily added to keep track of 

any machine condition. A  large bearing fault  frequency database comes along within 

OMNITREND freely which helps to identify specific failures with their root cause.  

With OMNITREND Web Report, a separate reporting module is also available. Because 

of the same quickly visualization of  failures reported. OMNITREND will also  integrate 

all readings, alarms and other important parameters in CMMS systems. That becomes 

ideal for the users of SAP, Maximo or other CMMS programs.  

5.9  VIBXPERT – FFT (Fast Fourier Transform) data collector and signal analyzer 

• As  the  double  acting  hydraulic  cylinder  is  most  important  element  for  container 

lifting device.  

• We  had  taken  a  trial  run  for measurement  of  vibrations  for  the  same  element  at 

different  14  stages  of  lifting  and  lowering  the  empty  and  loaded  4.5  cubic meter 

container with container lifting device.  

• Thus we had measured the vibrations of double acting hydraulic cylinder taking the 

different 14 stages readings. Out of that four samples are shown as under: 

 

1) Empty container lifting acceleration spectrum  

 

    

 

 

 

Page 100: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Modelling and Analysis of container lifting device 

74  

 

2) Loaded container lifting position 3 acceleration spectrum 

 

 

3) Loaded container lifting position 4 displacement spectrum 

 

4) Loaded container emptying position 8 velocity spectrum 

 

 

Fig. 5.35  FFT spectrum of Hydraulic cylinder 

Page 101: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

VIBXPERT – FFT (Fast Fourier Transform) data collector and signal analyzer  

75  

Table 5.8 Typical measurements of RMS values 

      RMS Values 

Sr. No. 

Description  Displacement  (µm) 

Velocity    (mm/sec) 

Acceleration   (m/sec2) 

1  Empty container lowering rest  10.05  1.01  0.193 

2  Empty container lowering Vertical 

24.38  2.42  0.271 

3  Empty container lowering down 54.74  5.86  0.581 

4  Empty container lifting  31.31  3.18  0.298 

5  Loaded container lifting 1  26.15  3.20  0.349 

6  Loaded container lifting 2  34.25  3.72  0.399 

7  Loaded container lifting 3  15.98  1.75  0.197 

8  Loaded container lifting 4  21.75  2.23  0.268 

9  Loaded Container Emptying 5  41.04  4.43  0.476 

10  Loaded Container Emptying 6  18.80  1.93  0.198 

11  Loaded Container Emptying 7  43.45  3.79  0.359 

12  Loaded Container Emptying 8  11.37  1.12  0.152 

13  Loaded Container Emptying 9  43.98  4.38  0.427 

14  Loaded Container Emptying 10  14.35  1.15  0.174 

 

During actual working on CLD with FFT analyzer, vibration analysis of  the hydraulic 

cylinder under  variable  loading application and different boundary  conditions  is obtained. 

The  main  cause  of  the  vibration  in  hydraulic  cylinder  is  stick‐slip  phenomenon  between 

piston and cylinder which is also responsible for the failure of a sealing material and reduces 

the fatigue  life as well  the performance of the hydraulic system. Vibration analysis can be 

done by static, dynamic and transient way. The Mode Superposition Method of a transient 

dynamic analysis is one of the most important methods to predict mode shapes. All readings 

taken are checked with the standard given and they are all falls within the limit hence it is 

proved that hydraulic cylinders performance is safe in vibration. 

 

 

 

 

Page 102: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

 

 

 

 

  

  

 

 

 

 

Fig. 5.336  Photograaphs of actu

Mod

76 

 

  

 

  

  

 

ual readings

delling and A

s taken of C

Analysis of co

CLD by FFT a

ontainer liftin

  

analyzer 

ng device 

 

 

 

Page 103: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

 

77  

CHAPTER 6 

OPTIMIZATION OF HYDRAULIC CYLINDER 

6.1 Introduction 

The  success  of  optimum  design  is  naturally  a  gorgeous  objective  to  the  designer. 

Apart  from possible  economic  advantages,  there  is  the  fulfillment  of  producing  the  ‘best’ 

design possible confirming to a stated ‘objective’. In the past, considerable effort has been 

devoted to the associated mathematical and computational backgrounds, and the methods 

explored  have  been  wide‐ranging  and  often  mathematically  complex.  The  concept  of 

‘gradient’ has been central and forms the basis of a class of methods suitably described as 

‘hill‐climbing’. The gradient concept is not required in the genetic algorithm. 

Many methods are in use for design optimization of various mechanical elements. All 

use mathematical programming techniques to come into view at optimum solution. In most 

of the practical problems in engineering design, the design variable is distinct. This is due to 

the  accessibility  of  components  in  standard  sizes  and  constraints  due  to  production  and 

manufacturing  practices.  A  few  algorithms  have  been  developed  to  handle  the  distinct 

nature  of  design  variables.  This  issue  is  of  the  enormous  importance  in  solving  sensible 

problems  of  design  optimization.  Lots  of  scientific  linear  and  nonlinear  programming 

methods have been advanced for solving optimization problems during the last few years. 

However, no single method has been found to be totally capable and strong for all different 

kinds  of  engineering  optimization  problems.  Some methods,  such  as  the  penalty‐function 

method,  conjugate  gradient method  and  Lagrangian method,  look  for  a  local  optimum  in 

which by moving in a way related to the local gradient. Some additional methods may apply 

the first and second order with essential conditions to search for a local smallest by cracking 

a set of nonlinear equations.  

Usually  these methods  search  for  a  solution  in  the  region  from  the  starting  point. 

Here  the  global  optimum  cannot  be  assured  because  the  outcome  will  depend  on  the 

selection  of  the  initial  point,  if  there  is  more  than  single  local  optimum  existing  in  the 

problem. Moreover gradient search becomes complicated and unsteady, when the objective 

function and constraints have many sharp peaks. 

 

 

Page 104: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Optimization of Hydraulic cylinder 

78  

6.2   Optimization Technique  ‐ Genetic Algorithm 

Over the last few years, genetic algorithms (GAs) have been widely used as a search 

and optimization tools  in various problem domains,  including the sciences, commerce and 

engineering. The main reasons for their success are their large applicability, ease of use and 

global perspective. 

The  genetic  algorithm  is  a  typical  model  of  machine  learning,  which  develops  its 

behaviour  from  a  symbol  of  the  procedures  of  development  in  nature.  The  individual 

characters in the population go through a process of evolution. According to Darwin, this is 

made up of the principles of mutation and selection. However, the recent genetic evolution 

theory also knows crossover and isolation mechanisms to increase the adaptiveness of the 

living beings to their environments. 

With genetic algorithms, elements are swapped between individuals as  if by sexual 

grouping  and  reproduction  (crossover),  others  are  altered  at  random  (mutation).  New 

generations appear from clones of the current population,  in proportion to their fitness. A 

single  objective  functions  of  the  parameters  that  return  a  numerical  value,  to  distinguish 

between  good  and  bad  solutions.  Then  Fitness  is  used  to  apply  selection  process  to  the 

population in a ‘Darwin’ method (existence of the fittest).[17] 

GAs  combine  the  concept  of  artificial  survival  of  the  fittest with  genetic  operators 

abstracted  from  nature  to  form  a  robust  search  mechanism.  GAs  differ  from  traditional 

optimization algorithms in many ways. 

GAs always searches from population of points, not from a single point. 

GAs work with a coding of the parameter set, not the parameters themselves. 

GAs  use  objective  function  information,  not  derivatives,  calculus  or  other  supporting 

knowledge. 

GAs use probabilistic alteration rules, not deterministic rules. 

GAs  use  arbitrary  based  on  the  previous  information  to  guide  the  search,  instead  of 

gradient  search,  so  that  the  derivative  information  and  step  size  calculation  are  not 

essential. 

GAs must work must work  in a restricted space for coding of the parameters. Genetic 

Algorithms  are  not  hill  climbing  algorithms.  So  called  local  hill  climbing  problems  are 

eliminated in these algorithms. Therefore, the probability of getting entrapped in a local 

minimum is reduced. 

Page 105: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Optimization Technique ‐ Genetic Algorithm 

79  

The genetic algorithm is a method for resolving both constrained and unconstrained 

optimization  problems  that  is  based  on  usual  selection.  This  process  drives  biological 

evolution. The genetic algorithm frequently modifies a population of individual resolutions. 

At each step, the genetic algorithm selects persons at random from the current population 

to be parents and uses them to create the children for the following generation. Over the 

consecutive generations, the population "evolves" toward an optimal solution. Anyone can 

apply the genetic algorithm to solve a diversity of optimization problems that are not well 

suited  for  standard  optimization  algorithms.  This may  include  the  problems  in which  the 

objective  function  is  intermittent,  non‐differentiable,  stochastic,  or  extremely  nonlinear. 

The genetic algorithm can be used for the problems of mixed integer programming, where 

some components are restricted to be integer‐valued.[17] 

During the optimization using Genetic Algorithm mainly depends on three types of 

different  rules. At  the end of each step which helps  to produce  the next generation  from 

present population. 

Assortment  of  rules  with  select  the  individuals,  who  called  parents  that,  are 

contributing to the population at the next generation.  

Secondly, with the crossover rules which compress two parents to form children for the 

subsequent generation.  

Mutation rules are related with arbitrary changes to distinct parents to form children. 

The  genetic  algorithm  varies  from  a  classical,  derivative‐based,  optimization 

algorithm in two main ways, as summarized in the following table 6.1.  

Table 6.1   Comparison of Classical and Genetic Algorithm 

Classical Algorithm  Genetic Algorithm

Generation of single point at every iteration. 

The progression of  points  approaches  to  an 

optimal solution. 

Generation of population of points  at every 

iteration.  The  best  point  in  the  population 

approaches to an optimal solution. 

Selects  the  subsequent  point  in  the 

progression by a deterministic computation. 

Selects  the  next  population  by  calculation 

which uses arbitrary number generators. 

 

6.2.1  Outline of  Genetic Algorithm  

This section describes fractural analysis of outline of genetic algorithm. The following 

stepwise description shows that the genetic algorithm continues: 

Page 106: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Optimization of Hydraulic cylinder 

80  

(1) In the beginning, algorithm generating arbitrary initial population. 

(2) Afterwards,  algorithm  creates  a  progression  of  novel  populations.  At  every  step,  the 

algorithm uses the individuals in the recent generation to create the next population.  

To generate the novel population, the algorithm performs the following steps: 

By computing the fitness value, it scores each member of the present population. 

Scales the raw suitability marks to alter them into a more functional range of values. 

Selection of members, which called parents, depends on their fitness measurement.  

Some of the personalities  in the present population that have  lesser fitness which are 

chosen as elite. Such elite individuals are conceded to the subsequent population. 

Creation  of  the  children  is  from  the  parents.  Children  are  created  either  by  framing 

arbitrary deviations towards a single parent to mutation or by uniting the vector entries 

of a pair of parents to crossover. 

Change the present population with the children to form the subsequent generation. 

The algorithm terminate when one of the ending criteria is met.  

6.3 Optimization in Hydraulic Cylinder Design – A Case Study  

Monotonicity  and  dominance  were  used  to  find  general  principles  for  designing 

hydraulic cylinders optimal for a wide class of objective functions and stress conditions. The 

design method, although guaranteed to give the optimum design. 

Optimal cylinders should be designed  for minimum force. Only  two designs can be 

optimal—one  with  maximum  pressure  and  minimum  wall  thickness;  the  other  with 

maximum stress.  

In  the  former  case,  the  design  is  retained  if  and  only  if  the  stress  is  less  than 

allowable. Otherwise,  a  one‐variable  search  in  a  restricted  interval  is  needed.  The  results 

suggest the potential importance of monotonicity and dominance in identifying the critical 

constraints in a design.  

 

Page 107: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Optimization in Hydraulic Cylinder Design – A Case Study 

81  

Here we have taken five design variables, 

(1) Inside diameter, d              x(1)         (2) Wall thickness, t                 x(2) (3) Material Stress, s (4) Force, f (5) Oil Pressure, p               x(3)      First Optimum design will be with maximum pressure and minimum wall thickness, second with maximum stress.  Subject to  

2 2

, 7

, 5 5000 49050

, 200 / 19.62 /

Wall thickness t mm

Force f ton so kg N

Pressure p kg cm say N mm

 

There are three physical relations: First relates force, pressure and area. 

2 ....... .(6.3.1)4

f d p Eq

 

The second gives the wall stress,  

......... .(6.3.2)2

p ds Eq

t

 

 

Also to find Cross‐sectional area of hydraulic cylinder: 

Cross‐sectional area,  

2

2

. . .

. ........ .(6.3.3)

A d t t

A d t t Eq

 

Genetic  algorithm  is  most  suitably  used  for  multi  modal  functions  because  it  always 

searches  from population  of  points  instead  of  a  single  point, which  is  usually  followed  in 

classical optimization techniques.   

In  design  of  hydraulic  cylinder  there  are  five  variables  taken  namely  internal  diameter, 

thickness of cylinder, material stress,  internal pressure and force on the piston. Objectives 

are maximization  of  stress, minimization  of  force, minimization  of  cross  sectional  area  of 

cylinder.    All  these  objectives  are  conflicting  in  nature  hence  the  problem  can  be  solved 

using  multi‐objective  optimization  techniques.  Classical  optimization  techniques  are  not 

much suitable for multi‐objective optimization problem so heuristic method such as genetic 

algorithm is used for solving such problems.   

Page 108: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Optimization of Hydraulic cylinder 

82  

6.4  Single Objective Optimization Problem – Nonlinear Constrained Minimization 

Optimization Toolbox provides widely used algorithms  for  standard and  large‐scale 

optimization.  These  algorithms  solve  constrained  and  unconstrained  continuous  and 

discrete  problems.  The  toolbox  includes  functions  for  linear  programming,  quadratic 

programming, binary integer programming, nonlinear optimization, nonlinear least squares, 

systems of nonlinear equations, and multi‐objective optimization. We can use them to find 

optimal  solutions,  perform  tradeoff  analyses,  balance  multiple  design  alternatives,  and 

incorporate optimization methods into algorithms and models. 

Using MATLAB  2012  following  eight  examples were  created  and  solved  related  to 

optimization  and  design  hydraulic  cylinder  to  be  used  for  container  lifting  device,  out  of 

these results for two examples are shown below:   

Example 6.1 app2 ‐‐  Minimize the force, f    

The iteration table in the command window shows how MATLAB searched for the minimum 

value  of  force  function  in  the  unit  disk.  This  table  is  the  same  whether  to  be  used  as 

Optimization Tool or  the command  line. MATLAB reports  the value of  three variables  (i.e. 

internal diameter (d), cylinder wall thickness (t), pressure (p) and minimization of force, (f) 

as below: 

Output 

x =   57.0000    7.0000   19.6200 

fval =   5.0040e+04 

 

    Fig.6.1  Optimization  using  MATLAB  for  the  function  :  Minimization  of  force  value  (f) 

exerted on piston 

 

 

Page 109: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Single Objective Optimization Problem – Nonlinear Constrained Minimization 

83  

Example 6.2 

app16  – Minimization of cross‐sectional area 

  Again  the  iteration  table  in  the command window shows how MATLAB searched  for 

the minimum value of cross‐sectional area function in the unit disk. This table  is the same 

whether to be used as Optimization Tool or the command line. MATLAB reports the value of 

three  variables  (i.e.  internal  diameter  (d),  cylinder  wall  thickness  (t),  pressure  (p)  and 

minimization of cross‐sectional area, (A) as below: 

 

 

  Output 

  x =   50.0000    7.0000   16.0707 

  fval = 1.2529e+03 

   

 Fig.6.2   Optimization using MATLAB for the function: Minimization of Cross‐sectional area (A) 

of the Hydraulic Cylinder 

 

6.5 Multi Objective Optimization using Genetic Algorithm  

  A  multi‐objective  optimization  problem  (MOOP)  tool  deals  with  more  than  one 

objective  function.  There  are  fundamental  differences  between  the working  principles  of 

single  and  multi‐objective  optimization  algorithms.  However,  in  a  single  objective 

optimization, the task is to find one solution which optimizes the sole objective function.  

  A multi objective optimization problem has a number of objective  functions which 

are to be maximized or minimized. As in the single – objective optimization problem, here 

also the problem usually has a number of constraints which may have any feasible solution 

(including the optimal solution). 

 

Page 110: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Optimization of Hydraulic cylinder 

84  

The general form of Multi‐objective optimization problem (MOOP) is stated as follows: 

[ ] [ ]

/ , 1, 2,......., ;

0, 1,2,........, ;

0, 1,2,........, ;

, 1, 2,........., .

m

j

k

L Ui i i

Minimize Maximize f x m M

subject to g x j J

h x k K

x x x i n

      ……….6.5.1        

  A  solution  x  is  a  vector  of  number  of  decision  variables  (n):  1 2, ,.........,T

nx x x x . 

The last sets of constraints are called variable bounds, restricting each decision variable  ix to 

take a value within a lower  [ ]Lix (Lower bound) and upper  [ ]U

ix (Upper bound) bound. These 

confines to establish a decision variable space (D). 

  In  many  engineering  disciplines  we  need  to  find  solutions  in  the  presence  of 

conflicting  objectives.  In  such  cases,  solutions  are  chosen  such  that  there  are  reasonable 

trade‐offs among different objectives.  In certain problems,  it may not be obvious  that  the 

objectives are not conflicting to each other. In such combinations of objectives, the resulting 

Pareto‐optimal set will contain only one optimal solution. Pareto search is an approach for 

handling such situations. Instead of generating a single optimal solution, many solutions are 

generated  that  satisfy  Pareto  Optimality  Criterion.  According  to  this  criterion,  a  solution 

point  P  is  accepted  only  if  there  are  no  solutions  better  than  P  with  respect  to  all  the 

objectives.  For  example,  even  if  P  is worse  than  another  solution  P1 with  respect  to  one 

objective, P is accepted provided that it is better than P1 in at least one objective. Thus each 

Pareto optimal solution is good in some respect. The set of all Pareto optimal solutions form 

a surface known as a Pareto front. The Pareto front helps engineers understand the nature 

of  trade‐offs  that need to be made  in order  to select good solutions. Visualizing  the  front 

helps engineers make good decisions. 

6.6   Difference with Single‐Objective Optimization: 

Besides having multiple objectives  there are number of  fundamental differences between 

single‐objective and multi‐objective optimization, as follows:[33] 

two goals instead of one; 

dealing with two search spaces; 

no artificial fix‐ups. 

 

Page 111: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Difference with Single‐Objective Optimization 

85  

6.6.1  Two goals Instead of one: 

  In  a  single‐objective  optimization,  there  is  one  goal  –  the  search  for  an  optimum 

solution.  In  the  case multi‐modal  optimization,  the  goal  is  to  find  a  number  of  local  and 

global  optimal  solutions,  instead  of  finding  one  optimum  solution.  However, most  single‐

objective optimization algorithms target to find one optimum solution, even though number 

of optimal solutions exists. 

  However,  in  multi‐objective  optimization,  there  are  clearly  two  goals.  Progressing 

towards  the  Pareto‐optimal  front  is  certainly  an  important  goal.  However,  maintaining  a 

diverse set of solutions in the non‐dominated front is also essential. An algorithm that finds 

a  closely  packed  set  of  solutions  on  the  Pareto‐optimal  front  satisfies  the  first  goal  of 

convergence to the Pareto‐optimal front, but does not satisfy maintenance of a diverse set 

of solutions. Since all objectives are important in a multi – objective optimization, a diverse 

set of obtained results near to the Pareto‐optimal front provides a variety of optimal results, 

trading  objectives  differently.  A multi‐objective  optimization  algorithm  that  cannot  find  a 

diverse set of solutions in a problem is as good as a single‐objective optimization algorithm. 

Since  both  goals  are  important,  an  efficient  multi‐objective  optimization  algorithm  must 

work on satisfying both of them. Looking to these dual tasks, multi – objective optimization 

is more challenging than single – objective optimization. [33] 

6.6.2  Dealing with two search spaces 

Another  difficulty  is  that  multi‐objective  optimization  involves  two  search  spaces, 

instead  of  one.  In  a  single‐objective  optimization,  there  is  only  one  search  space  –  the 

decision  variable  space.  An  algorithm  works  in  this  space  by  accepting  and  rejecting 

solutions based on their objective function values. Here in addition to the decision variable 

space,  there  is also  the objective  function  space. When  this occurs,  the measures  in both 

spaces must be synchronized in such a way that the formation of new results in the decision 

variable  space  is  complimentary  to  the  variety  needed  in  the  objective  space.  This  by  no 

means,  is  an  easy  task  and more  importantly  is  dependent  on  the mapping  between  the 

decision variables and objective function values. [33] 

 

 

 

 

 

Page 112: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Optimization of Hydraulic cylinder 

86  

6.6.3  No Artificial Fix‐Ups 

The most real world optimization problems are naturally posed as a multi – objective 

optimization  problem.  Multi‐objective  optimization  for  finding  multiple  Pareto‐optimal 

solutions  eliminates  all  such  fix‐ups  and  can,  in  principle,  find  a  set  of  optimal  solutions 

corresponding to different weight and e‐vectors. It is true that in general a multi – objective 

optimization  is  more  complex  than  a  single‐objective  optimization.  But  the  avoidance  of 

multiple  simulation  runs, no artificial  fix‐ups and availability of effective population based 

optimization  algorithms,  and  above  all,  the  conception  of  dominance  helps  to  overcome 

some of the difficulties and give a user the real means to handle many objectives, a matter 

which was not possible to achieve in the past. [33]     

6.7 Multi‐objective Optimization        

  Multi – objective optimization is apprehensive with the minimization of a vector for 

objectives F(x) that can be the matter of a number of constraints or bounds: 

min ,

0, 1,....., ; 0, 1,....., ; .

n

i e i e

F x subjected tox R

G x i k G x i k k l x u

 

  Note that because F(x) is a vector, if any of the constituents of F(x) are contending, 

there  is  no  unique  solution  to  this  problem.  So  instead  of  that  the  concept  of  non  – 

inferiority (also known as Pareto optimality) must be used to describe the objectives. A non 

– inferior solution is one in which an improvement in one objective requires a degradation 

of  another.  To  define  this  concept  more  precisely,  consider  a  feasible  region,  ,  in  the 

parameter space. X is an element of the n‐dimensional real numbers  nx R  that satisfies all 

the constraints, i.e. 

nx R , 

Subject to 

0, 1,....., ,

0, 1,....., ,

i e

i e

G x i k

G x i k k

l x u

 

This  permits  description  of  the  corresponding  possible  region  for  the  objective 

function space  :  

: , .my R y F x x  

The presentation vector F(x) maps parameter space into objective function space, as 

represented in two dimensions in the Figure 6.3. 

 

 

 

 

 

Page 113: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Multi‐objective Optimization 

87  

 

 

     Fig.6.3   Mapping from Parameter Space into Objective Function Space 

A non – inferior solution point can now be defined. 

Definition:  Point x  is  a  non –  inferior  solution  if  for  some neighborhood of  x  there 

does not exist a  x  such that  x x  and  

, 1,...., ,

.

i i

j j

F x x F x i m and

F x x F x for at least one j

 

  In  the  two  –  dimensional  representation  of  Figure  6.4  the  set  of  non  –  inferior 

solutions lies on the curve between C and D. Points A and B represent specific non – inferior 

points.  

     Fig.6.4  Set of Non – inferior Solutions 

 

  A and B are obviously non – inferior solution points because an enhancement in one 

objective, F1, requires a degradation in the other objective, F2, i.e. , 1 1 2 2, .B A B AF F F F  

Page 114: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Optimization of Hydraulic cylinder 

88  

Since any point  in   that  is an  inferior point  in which  improvement can be attained  in all 

the objectives, it is clear that such a point is of no value. 

Multi‐objective optimization  is,  therefore,  concerned with  the generation and selection of 

non – inferior solution points. 

  Non –  inferior  results  are  also  called  Pareto optima. An overall  objective  of multi‐

objective optimization is making the Pareto optima.   

  Using  MATLAB  2012  ten  different  examples  were  created  and  solved  related  to 

multi‐objective  optimization  and  design  hydraulic  cylinder  to  be  used  for  container  lifting 

device, out of these results for following three examples are shown. 

Example 6.3 app9  ‐‐    Multi  objective  Optimization,  Pareto  Optimization,  Maximize  the  stress,  s  & Minimization of force, f linked with  mymulti4.m.     [d = x(1), t = x(2) and p = x(3)] App9 options = gaoptimset('PopulationSize',60,... 'ParetoFraction',0.7,'PlotFcns',@gaplotpareto); [xfval flag output population] = gamultiobj(@mymulti4,3,... [],[],[],[],[55,7,15.696],[70,15,19.62],options) mymulti4.m function f = mymulti4(x) f(1) = -x(3)*x(1)/(2.0*x(2)); f(2) = 0.785*x(1)^2*x(3); Table 6.2   Value of each variable Internal diameter (d), Thickness of Cylinder (t) and Internal 

Pressure (p) after each iteration 

Sr. No. 

Internal Diameter, d, x(1) in mm 

Thickness of 

Cylinder, t, x(2) in mm 

Internal Pressure, p,  x(3) in N/mm2 

Sr. No.

Internal Diameter, d, x(1) in mm 

Thickness of Cylinder, t, x(2) in mm 

Internal Pressure, p,  x(3) in N/mm2

1  55.0000  7.0000  15.6960  31  55.0000  7.0000  15.6960 

2  66.2678  7.0059  19.5723  32  58.3710  7.0075  19.4684 

3  55.0000  7.0000  15.6960  33  55.8222  7.0116  19.4376 

4  55.0000  7.0000  15.6960  34  64.7664  7.0126  19.4935 

5  62.4450  7.0580  19.4929  35  62.5167  7.0069  19.5045 

6  60.4970  7.0069  19.5850  36  55.7202  7.0073  18.6119 

7  60.1910  7.0055  19.4753  37  63.0392  7.0155  19.5742 

8  64.0234  7.0124  19.5256  38  65.2111  7.0204  19.5760 

9  55.0613  7.0047  18.4560  39  64.4622  7.0227  19.5644 

10  55.1285  7.0795  16.5295  40  59.3725  7.0063  19.4064 

11  55.1080  7.0361  16.1410  41  66.3172  7.0970  19.4580 

12  61.5908  7.0063  19.4276  42  60.1721  7.0188  19.1510 

13  55.5851  7.0042  17.1733  43  56.3911  7.0056  19.4793 

14  58.2347  7.0028  19.5183  44  59.6663  7.0058  19.0352 

15  55.1813  7.0154  18.4295  45  55.1911  7.0041  16.6825 

16  57.9182  7.0066  19.5054  46  61.1807  7.0069  19.5383 

17  64.9375  7.0077  19.5621  47  61.8250  7.0066  19.5524 

Page 115: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Multi‐objective Optimization 

89  

18  66.0774  7.0193  19.4926  48  65.9791  7.0154  19.5238 

19  65.4093  7.0061  19.5791  49  56.3966  7.0052  19.5736 

20  55.3754  7.0041  18.4095  50  55.0618  7.0129  18.2643 

21  58.5363  7.0245  19.5747  51  55.4177  7.0050  19.1041 

22  62.7189  7.0064  19.5771  52  57.7819  7.0059  19.4920 

23  57.4923  7.0119  19.4306  53  55.0702  7.0042  16.4860 

24  63.2921  7.0069  19.4777  54  66.2678  7.0059  19.5723 

25  55.7036  7.0036  16.5999  55  55.1476  7.0629  17.2362 

26  56.2273  7.0055  19.4126  56  55.1774  7.0132  17.7655 

27  61.5269  7.0458  19.3891  57  55.0156  7.0000  15.6960 

28  55.7098  7.0088  19.3550  58  55.0963  7.0109  19.4399 

29  63.4252  7.0314  19.5727  59  61.5894  7.1083  19.5141 

30  55.3446  7.0098  17.8110  60  60.5595  7.1319  19.5850 

 

 

 

Fig.6.5     Pareto optimization using Genetic Algorithm plot of Stress generated (N/mm2) v/s 

Force on Piston (N) 

Example 6.4    

app6  ‐‐    Multiobjective  Optimization,  Pareto  Optimization,  Maximize  the  force,  f& Minimization of thickness, t linked with  mymulti1.m.     [d = x(1), s = x(2) and p = x(3)]    

 App6 

options = gaoptimset('PopulationSize',60,... 'ParetoFraction',0.7,'PlotFcns',@gaplotpareto);

Page 116: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Optimization of Hydraulic cylinder 

90  

[xfval flag output population] = gamultiobj(@mymulti1,3,... [],[],[],[],[55,80,15],[80,92,19.62],options) mymulti1.m 

function f = mymulti1(x) f(1) = -0.785*x(1)^2*x(3); f(2) = x(3)*x(1)/(2.0*x(2));  

Table  6.3   Value of each variable  Internal diameter  (d),  Stress of Cylinder  (s)  and  Internal 

Pressure (p) after each iteration 

Sr. No. 

Internal Diameter, d, x(1) in mm 

Stress of Cylinder, s, x(2) in N/mm2 

Internal Pressure, p,  x(3) in N/mm2 

Sr. No.

Internal Diameter, d, x(1) in mm 

Stress of Cylinder, s, x(2) in N/mm2 

Internal Pressure, p,  x(3) in N/mm2

1  55.0078  91.6168  15.0018  31  69.1143  91.7195  15.1666 

2  79.9919  91.7703  19.6176  32  59.2841  91.8107  15.5315 

3  79.9919  91.7547  19.6176  33  79.7091  91.7845  16.0754 

4  79.2017  91.7932  16.5609  34  79.8247  91.7922  17.2598 

5  55.0078  91.6480  15.0018  35  65.0814  91.7806  15.2036 

6  55.0078  91.6793  15.0018  36  79.6472  91.7693  16.2253 

7  79.9694  91.8333  19.3448  37  57.2698  91.7542  15.1802 

8  79.8608  91.7727  15.8229  38  79.6972  91.7660  18.5507 

9  66.3763  91.7202  15.1005  39  61.4632  91.7095  15.1355 

10  76.0792  91.7928  15.0875  40  62.8751  91.6910  15.1317 

11  79.4116  91.7394  17.0860  41  55.0078  91.6793  15.0018 

12  79.8643  91.8274  19.0110  42  57.5984  91.7088  15.0473 

13  63.2734  91.7015  15.0096  43  78.8803  91.7897  15.8159 

14  79.8288  91.7790  17.8853  44  68.5697  91.7179  15.2937 

15  65.0628  91.7493  15.2036  45  79.1919  91.7576  17.0069 

16  64.9417  91.6681  15.0416  46  59.2251  91.6635  15.1759 

17  77.6260  91.7956  15.2363  47  78.6092  91.7721  17.4948 

18  67.0868  91.7160  15.3411  48  73.1853  91.7286  15.5022 

19  70.5506  91.6568  15.0636  49  76.8068  91.7216  15.4737 

20  75.3182  91.7606  15.3205  50  75.4550  91.8006  15.3853 

21  67.3269  91.7229  15.0905  51  68.5267  91.7862  15.0148 

22  79.3568  91.7997  16.7358  52  78.1924  91.7886  15.5452 

23  79.6428  91.7405  18.5703  53  79.9295  91.7737  19.3981 

24  79.9240  91.8879  17.5826  54  72.4331  91.7462  15.4561 

25  79.9256  91.8502  18.3170  55  79.7663  91.7790  17.8853 

26  77.3328  91.8284  15.1115  56  70.4219  91.7718  15.4908 

27  72.7814  91.7847  15.0560  57  79.9240  91.8254  17.5826 

28  79.8332  91.8116  18.7950  58  63.2734  91.6390  15.0643 

29  59.9086  91.7026  15.4638  59  55.0586  91.7418  15.0018 

30  56.6810  91.7107  15.0201  60  79.5994  91.7578  15.6826  

 

 

Page 117: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Multi‐objective Optimization 

91  

 

Fig.6.6       Pareto optimization using Genetic Algorithm plot of Force    (N)  v/s    Thickness of 

Cylinder (mm) 

 Example 6.5    

app17  ‐‐  Multiobjective  Optimization,  Pareto  Optimization,  Maximize  the  force,  f  & Minimization of  cross‐sectional area, A  linked with  mymulti17.m.    [d = x(1), t = x(2) and p = x(3)]  options = gaoptimset('PopulationSize',60,... 'ParetoFraction',0.7,'PlotFcns',@gaplotpareto); [xfval flag output population] = gamultiobj(@mymulti17,3,... [],[],[],[],[55,07,15.696],[70,16,19.62],options)  mymulti17.m 

function f = mymulti17(x) f(1) = -0.785*x(1)^2*x(3); f(2) = 3.14*((x(1)*x(2)+x(2)^2));  

 

 

 

 

 

 

 

Page 118: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Optimization of Hydraulic cylinder 

92  

 

Table 6.4   Value of each variable internal diameter (d), Thickness of Cylinder (t) and Internal 

Pressure (p) after each iteration 

   

Sr. No. 

Internal Diameter, d, x(1) in mm 

Thickness of 

Cylinder, t, x(2) in mm 

Internal Pressure, p,  x(3) in N/mm2 

Sr. No.

Internal Diameter, d, x(1) in mm 

Thickness of Cylinder, t, x(2) in mm 

Internal Pressure, p,  x(3) in N/mm2

1  55.0000  7.0000  16.0085  31  55.4372  7.0396  19.2665 

2  69.9987  7.0283  19.6200  32  65.5574  7.0109  19.6028 

3  69.9987  7.0127  19.6200  33  55.9352  7.0152  19.5074 

4  57.6986  7.0018  19.5913  34  55.3623  7.0012  18.9455 

5  55.0031  7.0002  18.8725  35  63.8330  7.0108  19.3648 

6  63.5562  7.0312  19.5854  36  69.6822  7.0121  19.6186 

7  55.0000  7.0000  17.5416  37  64.9928  7.0043  19.5858 

8  55.0000  7.0000  16.0085  38  65.8195  7.0137  19.6042 

9  55.0000  7.0000  16.0241  39  60.3892  7.0092  19.5858 

10  55.0000  7.0000  16.9024  40  59.5785  7.0034  19.2825 

11  55.0031  7.0012  18.8725  41  61.5670  7.0146  19.6042 

12  56.7591  7.0100  19.6194  42  57.3518  7.0055  19.4248 

13  69.2413  7.0112  19.6099  43  65.6511  7.1359  19.6028 

14  68.5541  7.0106  19.5913  44  55.1262  7.0001  18.3711 

15  56.3311  7.0160  19.5552  45  59.4147  7.0100  19.4629 

16  55.0000  7.0000  16.3537  46  58.3674  7.0041  19.2737 

17  69.9987  7.0225  19.6200  47  55.2397  7.0133  19.3382 

18  61.9767  7.0049  19.6109  48  62.2097  7.0236  19.4095 

19  69.9987  7.0127  19.6200  49  63.2301  7.0185  19.6084 

20  66.5631  7.0163  19.6021  50  60.8089  7.0126  19.6011 

21  59.7798  7.0104  19.6011  51  57.7745  7.0087  19.3398 

22  55.0012  7.0001  18.3711  52  59.3529  7.0099  19.3541 

23  62.3718  7.0077  19.4629  53  68.9767  7.0144  19.5854 

24  63.9051  7.0162  19.6023  54  56.8451  7.0144  19.5399 

25  67.5167  7.0110  19.4657  55  67.1126  7.0062  19.5764 

26  60.9584  7.0099  19.3632  56  67.1009  7.0032  19.5319 

27  55.0000  7.0000  17.0923  57  55.7167  7.0280  19.4999 

28  67.5035  7.0199  19.6129  58  62.8502  7.0158  19.6097 

29  68.0485  7.0104  19.6050  59  57.6018  7.0055  19.4248 

30  58.8005  7.0098  19.2952  60  66.5631  7.0163  19.3521  

 

 

 

Page 119: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Multi‐objective Optimization 

93  

   

Fig. 6.7   Pareto optimization using Genetic Algorithm plot of Force  (N) v/s  Cross‐sectional 

area of Cylinder (mm2) 

6.8 Conclusion of optimization 

Most  real‐world  search  and  optimization  problems  are  naturally  posed  as  multi‐

objective  optimization  problems.  However,  due  to  the  complexities  involved  in  solving 

multi‐objective optimization problems and due to the lack of suitable and efficient solution 

techniques,  they  have  been  transformed  and  solved  as  single  objective  optimization 

problems. Moreover,  because  of  the  presence  of  conflicting multiple  objectives,  a multi‐

objective optimization problem results in a number of optimal solutions, known as Pareto‐

optimal solutions. One major drawback of developing Pareto‐optimal plots is the extensive 

calculation required to obtain the complete curve. Hence MATLAB is used to overcome such 

problems. 

Pareto  optimization  is  a methodology  for  solving multi  criteria  decision  problems. 

This methodology provides a  systematic  approach  towards design problems with multiple 

conflicting objectives.  In Pareto optimal design situations, the designer has more than one 

performance  found  to be measure of  interest. An optimal  solution  is  generally defined as 

the  finest  solution.  However, with multi  criteria  problems,  the  "best"  is  often  dependent 

upon a designer's inclinations.   The Pareto optimization methodology generally generates a  

huge number of alternatives of which the designer evaluates  in order to arrive at his best 

solution frequently termed the best compromise solution. 

Page 120: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

 

94  

CHAPTER 7 

CONCLUSION AND FUTURE SCOPE OF RESEARCH 

7.1  Conclusion of Research Work 

Container lifting device for maximum load carrying capacity about 5000 Kg and that 

can  handle  container  about  4  to  4.5  m3  is  designed.  To  find  its  behavior  in  dynamic 

environment rigid and transient structure dynamic analysis has been carried out. Results of 

analysis  are  discussed  and  suggested modifications  in  CLD  to  eliminate operational  issues 

and improving its performance. From the above work final conclusions are derived as under: 

1) As per the dynamic analysis of CLD model, results of Von – Mises stress and strain, safety 

factor etc. are found much below then allowable values. Comparisons are given below. 

Table 7.1 Comparison of results with allowable value 

Component  Result Maximum value 

generated 

Allowable 

value 

Safety factor 

during design 

Safety factor

in ANSYS result 

Piston rod  Stress  64.5 MPa  310 MPa 3 4.7 

Cross‐ rod  Stress  52 MPa  355 MPa 3 6.8 

Big link  Stress  169 MPa  355 MPa ‐ 2.2 

Base  Stress  129 MPa  355 MPa ‐ 2.8 

Piston  Stress  30 MPa  310 MPa 3 10 

All body  Strain  0.00086  0.002  

 

So, from the table it is found that maximum stress and strain generated during operation 

of CLD model at maximum load is within prescribed limit. 

2)  As per the static analysis of leaf spring, simulated in ANSYS 15, at design load maximum 

stress generated is found 813 MPa, which is less than 1800 MPa (yield stress) with safety 

factor of 2 considered in design. That indicate design is safe under working condition. 

3)  As  per  the  static  analysis  of  mechanical  jack,  simulated  in  ANSYS  15,  at  design  load 

maximum  stress  generated  is  found nearly  90 MPa which  is  less  than  170 MPa  (yield 

stress) with  safety  factor of 3  considered  in design.  That  indicate design  is  safe under 

working condition. 

4)  In  single  objective  optimization problem,  objective  function  is minimizing  the  force or 

cross‐sectional  area  or  thickness  of  cylinder,  in  which  inside  diameter  (d)  is  the  only 

variable.  The  objective  function  is  monotonic  with  respect  to  its  variable  (i.e.  inside 

Page 121: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Conclusion of Research Work 

95  

diameter,  d).  Hence  single  objective  optimization  is  not much  suitable  in  this  case,  in 

addition to the variable inside diameter (d), pressure (p) and thickness (t) are also active, 

so multi‐objective optimization is carried out. 

Multi‐objective optimization problem results in a number of optimal solutions, known as 

Pareto‐optimal  solutions.  The  Pareto‐optimal  curves  of  (a)  Maximization  of  stress  & 

minimization of force (variables are d, t, p) (b) Maximization of force & minimization of 

thickness (design variables are d, s, p) and (c) maximization of force & minimization of 

cross sectional area of cylinder (variables are d, t, p) are obtained. These Pareto‐optimal 

curves  are  useful  to  obtain  different  values  of  design  variables  for  different  cross 

sectional area of cylinder, force on piston and stress generated. 

5)  After  review  of  existing  design/specifications  of  container  lifting  device,  significant 

parameters  affecting  performance  of  the  container  lifting  device  were  identified. 

Following modifications are also suggested on existing device which can eliminate major 

difficulties faced during operation. 

Two  front  support  added  to  container  lifting  device  for  proper  positioning  and 

placing of container and remains at its position while transportation. 

Four side supports  is provided to prevent  the damage of hydraulic cylinder and oil 

pipes. 

Two rear mechanical  jacks added to container  lifting device for proper support and 

stabilized the vehicle. 

Side wall added to container lifting device to prevent the fall of waste directly from 

container to ground. 

 Proper positioning and placing of hydraulic pipes. 

 

7.2  Future scope of research work 

After  doing  this  research work,  there  are  also  some  future work may  possible  for 

improvement in performance of container lifting device. 

Further performance investigation of CLD model by changing different hydraulic fluid 

during operation. 

Computational  fluid  dynamic  (CFD)  analysis  of  double  acting  hydraulic  cylinder  to 

analyse the performance of CLD model at different hydraulic fluid. 

Page 122: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Conclusion and future scope of Research Work 

96  

Effects of Vibration on fatigue life of hydraulic cylinders and seals can be evaluated. 

Optimization  of  Cycle  time  by  providing  external  hydraulic  power  pack  may  be 

evaluated. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 123: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

 

97  

ANNEXURE I Definitions – MSW (Management and Handling) Rules 2000 

Definitions: MSW (Management and Handling) rules 2000  i.  "Anaerobic  digestion" means a  controlled process  involving microbial decomposition of 

organic matter in the absence of oxygen; 

ii. "Authorization" means the consent given by the Board or Committee to the "operator of 

a facility”; 

iii. "Biodegradable substance" means a substance that can be degraded by microorganisms; 

iv.  "Biomethanation"  means  a  process  which  entails  enzymatic  decomposition  of  the 

organic matter by microbial action to produce methane rich biogas; 

v. "Collection" means lifting and removal of solid wastes from collection points or any other 

location; 

vi. "Composting" means a controlled process  involving microbial decomposition of organic 

matter; 

vii. "Demolition and construction waste" means wastes from building materials debris and 

rubble resulting from construction, re‐modeling, repair and demolition operation; 

viii.  "Disposal" means  final  disposal  of  municipal  solid  wastes  in  terms  of  the  specified 

measures  to prevent contamination of ground‐water,  surface water and ambient air 

quality; 

ix."Form" means a Form appended to these rules; 

x.  "Generator  of  wastes"  means  persons  or  establishments  generating  municipal  solid 

wastes; 

xi. "Land filling" means disposal of residual solid wastes on land in a facility designed with 

protective measures against pollution of ground water, surface water and air fugitive 

dust,  wind‐blown  litter,  bad  odour,  fire  hazard,  bird  menace,  pests  or  rodents, 

greenhouse gas emissions, slope instability and erosion; 

xii.  "Leachate" means  liquid  that  seeps  through  solid  wastes  or  other  medium  and  has 

extracts of dissolved or suspended material from it; 

Page 124: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

  Annexure ‐ I 

98  

xiii. "Lysimeter"  is a device used to measure rate of movement of water through or from a 

soil layer or is used to collect percolated water for quality analysis; 

xiv. "Municipal authority" means Municipal Corporation, Municipality, Nagar Palika, Nagar 

Nigam, Nagar Panchayat, Municipal Council including notified area committee(NAC) or 

any  other  local  body  constituted  under  the  relevant  statutes  and,  where  the 

management and handling of municipal solid waste is entrusted to such agency; 

xv.  "Municipal  solid  waste"  includes  commercial  and  residential  wastes  generated  in  a 

municipal  or  notified  areas  in  either  solid  or  semi‐solid  form  excluding  industrial 

hazardous wastes but including treated bio‐medical wastes; 

xvi. "Operator of a facility" means a person who owns or operates a facility for collection, 

segregation, storage, transportation, processing and disposal of municipal solid wastes 

and also includes any other agency appointed as such by the municipal authority for 

the management and handling of municipal solid wastes in the respective areas; 

xvii. "Pelletisation" means a process whereby pellets are prepared which are small cubes or 

a  cylindrical piece made out of  solid wastes and  includes  fuel  pellets which are also 

referred as refuse derived fuel; 

xviii.  "Processing" means  the process  by which  solid wastes  are  transformed  into new or 

recycled products; 

xix.  "Recycling"  means  the  process  of  transforming  segregated  solid  wastes  into  raw 

materials for producing new products, which may or may not be similar to the original 

products; 

xx. "Schedule" means a Schedule appended to these rules; 

xxi. "Segregation" means to separate the municipal solid wastes into the groups of organic, 

inorganic, recyclables and hazardous wastes; 

xxii. "State Board or the Committee" means the State Pollution Control Board of a State, or 

as the case may be, the Pollution Control Committee of a Union territory; 

xxiii. "Storage" means the temporary containment of municipal solid wastes in a manner so 

as to prevent littering, attraction to vectors, stray animals and excessive foul odour; 

Page 125: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

  Annexure ‐ I 

99  

xxiv.  "Transportation  " means  conveyance  of municipal  solid wastes  from  place  to  place 

hygienically through specially designed transport system so as to prevent foul odour, 

littering, unsightly conditions and accessibility to vectors; 

xxv. "Vadose water" water which occurs between the ground, surface and the water table 

that is the unsaturated zone; 

xxvi. "Vermicomposting"  is a process of using earthworms for conversion of biodegradable 

wastes into compost. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 126: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

 

100  

ANNEXURE II  

Survey Report of Equipments at ULBs 

Client:  GUJARAT URBAN DEVELOPMENT COMPANY LIMITED 

Name of Project: Municipal Solid Waste Management Project 

Tender/Contract No.:   ________________________________________________ 

Name of Municipality: _________________________________________________ 

Name of District:         _________________________________________________ 

Name of Consultant: _________________________________________________ 

Name of Supplier:       _________________________________________________ 

Sr. No. 

List of Check Point  Remarks & Suggestions 

A  Container Lifting Device    

B  Total Number Required By ULB    

C  Coding/Punching on Equipment    

1  CLD Chassis No.   

2  CLD RTO Registration No.   

3  Overall dimension    

4  Rear axle size (75 x 75)   

5  Toe hook size (30 mm)   

6  No. of bottom supports    

7  Lifting arm plate thickness   

8  Cross shaft (boom) diameter   

9  Hydraulic cylinder make   

10  Hydraulic cylinder dimension (63 x110)    

Page 127: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

Annexure II 

101  

11  Lift chain thickness (15 mm)    

12  Parallel lift function    

13  Tyre (make and size)    

14  DC valve make and working    

15  Stabilizer jack working   

16  Hydraulic hoses (make and quality)   

17  Any leakages observed in hydraulic system?   

18  Whether tool kit is provided   

19  Any transit damage found?   

20  Lifter operating performance.   

21  Whether  brake  provided  and  working properly? 

  

22  Whether  greasing/lubrication  facility  is provided? 

  

23  Problems raised by ULB, if any.   

       

    

Sign  Sign 

S. I.  (Consultant) 

Name:   Name: 

Seal 

 

 

 

 

 

 

Page 128: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

 

102  

REFERENCES 

1  A. Bayo´n, F.Gasco´n, R.Medina, F.J.Nieves, F.J.Salazar, “On the flexural vibration of cylinders under  axial  loads: Numerical  and experimental  study”,  Journal  of  Sound and Vibration 331 (2012) 2315–2333 

2  A. Seireg "A Survey of Optimization of Mechanical Design ", Dept. of Mech. Engg., Mechanical Design, University of Wisconsin, Madison, ASME 

3  Afroz  R,  Masud  MM.  Using  a  contingent  valuation  approach  for  improved  solid  waste management  facility:  evidence  from  Kuala  Lumpur,  Malaysia.  Waste  Management 2011;31:800–8, http://dx.doi.org/10.1016/j.wasman.2010.10.028. 

4  Agarwal  A,  Singhmar  A,  Kulshrestha  M,  Mittal  AK.  Municipal  solid  waste  recycling  and associated  markets  in  Delhi,  India.  Resources,  Conservation  and  Recycling  2005;44:73–90, http://dx.doi.org/10.1016/j.resconrec.2004.09.007. 

5  Agogino,  A. M.  (1985) Monotonicity  analysis  in  unconstrained  optimization Working  Paper 85‐0701,  Expert  Systems  Laboratory,  Dept.  of  Mechanical  Engineering,  University  of California, Berkeley, CA. 

6  ALICE  M.  AGOGINO  &  ANN  S.  ALMGREN  "TECHNIQUES  FOR  INTEGRATING  QUALITATIVE REASONING  AND  SYMBOLIC  COMPUTATION  IN  ENGINEERING  OPTIMIZATION"  Dept.  of Mechanical Engineering, University of California, Berkeley, CA, ISSN:0305‐215X ‐ 1028 ‐ 0273 

7  Antheaume  N.  Valuing  external  costs  –  from  theory  to  practice:  implications  for  full  cost environmental  accounting.  European  Accounting  Review  2004;13(3):443–64, http://dx.doi.org/10.1080/0963818042000216802. 

8  Antti Ylinen a, Heikki Marjamaki a, JariMakinen b. “A hydraulic cylinder model for multibody simulations”, Computers and Structures 138 (2014) 62–72 

9  Balachandran,  M.,  and  Gero,  J.  S.,  "A  Comparison  of  Three  Methods  forGenerating  the  Pareto  Optimal  Set,"  Engineering  Optimization,  Vol.  7,  No.  4,1984, pp. 319‐36. 

10  Baragetti  S,Terranova  A.  Bending  behavior  of  double  ‐  acting  hydraulic  actuators.  In  : Proceedings  of  the  institution  ofmechanical  engineers,  Part  C  :  Journal  of  Mechanical Engineering Sciences, vol.215, 2001, p.607–19. 

11  Bezboruah,  A.N.,  Bhargava,  D.S.,  2003.  Vermicomposting  of  municipal  solid  waste  from  a campus. Indian Journal of Environmental Protection 23 (10), 1120–1136. 

12  Central  Pollution  Control  Board  (CPCB),  2004.  Management  of  Municipal  Solid  Waste. Ministry of Environment and Forests, New Delhi, India. 

13  Chakrabarty,  P.,  Srivastava,  V.K.,  Chakrabarti,  S.N.,  1995.  Solid  waste  disposal  and  the environment – a review. Indian Journal Of Environmental Protection 15 (1), 39–43. 

14  CPCB, 2000. Status of Municipal Solid waste Generation, Collection, Treatment and Disposal in Class I Cities, Series: ADSORBS/31/1999–2000. 

15  D.J.  Hargreaves,  R.  pai  “Performance  of  environment‐friendly  hydraulic  fluids  and material wear in cavitating conditions”, journal of Wear 252 (2002) 970–978. 

16  Da  Zhu,  P. U. Asnani  and others.  Improving Municipal  solid waste Management  in  India. A source book for policy makers and practitioners, World Bank Institute Publication. 

17  David E. Goldberg, Genetic Algorithms in search, optimization and Machine learning 

18  David  J  edilman,  “City  wide  best  Practices  in  Solid  Waste  Management  in  Collection, Transportation  and  Disposal”,  Institute  for  Housing  and  Urban  Development  studies Rotterdam, Netherland, September 1997 

Page 129: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

References 

103  

19  Davies  S.  UK municipal waste management:  from a  public  service  to  a  globalised  industry. Competition and Change 2007;11(1):39–57, http://dx.doi.org/10.1179/102452907X166854. 

20  Dennis H. Shreve, “Signal Processing for Effective Vibration Analysis”, IRD Mechanalysis, Inc, Columbus, Ohio, November 1995. 

21  Design Data Book of Engineers, PSG College of Technology, Coimbatore. 

22  Dr. K. Kasturiranjan. Report of the Task Force on Waste to Energy (Volume ‐ I), Govt. of India, Planning Commission, May 12, 2014 

23  EPA. Full cost accounting  for municipal soild waste management: a handbook. Washington, DC: USEPA; 1997, Available from http://www.epa.gov 

24  G. Nicoletto and T. Marin "Fatigue Optimization of a Heavy‐duty Hydraulic Cylinder", Dept. of Industrial Engineering, University Parma, Italy  

25  G. Scheffel, "Energy Efficiency in Hydraulics, Parker Hannifin Corporation, Hydraulic Controls Division," Deutschland. Bulletin HY11‐3339/UK 05/2009, 2009.. 

26  Gamez‐Montero,  E.Salazar  et  al.  “Misalignment  effects  on  the  load  capacity  of  a  hydraulic cylinder”, International Journal of Mechanical Sciences 51(2009)105–113 

27  Guido  Belforte,  Andrea  Manuello  and  Luigi  Mazza,    "Optimization  of  the  Cross  Sectionof an Elastomeric Seal for Pneumatic Cylinders" 

28  Haug  EJ.  Computer  aided  kinematics  and  dynamics  of mechanical  systems. Massachusetts: Allyn and Bacon; 1989. 

29  I.Marczewska  and  co‐authors,  “Practical  fatigue  analysis  of  hydraulic  cylinders  and  some design recommendations” Poland, International Journal of Fatigue 28 (2006) 1739–1751 

30  J. Samuelson, D. Holm and B. Espring "Optimization of hydraulic cylinder housing" Int. Journal Fatigue, Vol 12 No 6 1990 PP 493 ‐ 504 

31  Jagadamba  Potnuru  and  Hari  Sankar  Vanka,    "Design  and  Optimization  of  Three  Stages Hydraulic Cylinder Used In Dump Trucks" 

32  Johnson R. C. (1978) Mechanicof Design Synthesis. 2nd Ed., Van Nostrand, New York, NY. 

33  Kalyanmoy Deb, Multiobjective Optimization using Evolutionary Algorithms 

34  Kansal,  A.,  2002.  Solid  waste  management  strategies  for  India.  Indian  Journal  of Environmental Protection 22 (4), 444–448. 

35  Kansal, A., Prasad, R.K., Gupta, S., 1998. Delhi municipal  solid waste and environment – an appraisal. Indian Journal of Environmental Protection 18 (2), 123–128. 

36  Karush, W., "Minima of Functions of Several Variables with Inequalities as Side Conditions," Master's Thesis, Department of Mathematics, University of Chicago, Dec. 1939 

37  Key‐Sun  Kim  ,    “Structure  and  Vibration  Analysis  of  Solenoid  Pump  for  Two‐way Hydraulic Control”, International Journal of Control and Automation Vol.6, No.6 (2013), pp.41‐50 

38  Khaled Al‐Fadhalah , Ahmed Elkholy, Majed Majeed, “Failure analysis of Grade‐80 alloy steel towing chain links”, journal of Engineering Failure Analysis 17 (2010) 1542–1550 

39  Khan MA, Ansari IZ. Municipal solid waste management in India: a case study of Aligarh city. Pranjana 2010;13(2):92–104. 

40  Kuhn, H. W., and Tucker, A. W., "Nonlinear Programming," Proc. 2nd Berkeley Symp. Math. Stat. Prob., eds., Newman, J., University of California Press, 1950, pp. 481‐92. 

41  Kumar S, Bhattacharyya J, Vaidya A, Chakrabarti T, Devotta S, Akolkar AB. Assessment of the status of municipal  solid waste management  in metro  cities  state  capitals  class  I  cities  and class  II  towns  in  India:  an  insight.  Waste  Management  2009;29:883–95, http://dx.doi.org/10.1016/j.wasman.2008.04.011. 

42  Kutlay AKSÖZ, “Dynamic Analysis of Hydraulic Cylinder” , IZMIR, September  2004. 

Page 130: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

References 

104  

43  L.TOMSKI, S. UZNY, “A Hydraulic Cylinder Subjected to Euler’s Load in Aspect of The Stability and Free Vibrations taking into Account Discrete Elastic Elements”, journal of Archives of Civil and Mechanical Engineering, Vol. XI 2011 No. 3. 

44  Leone  Corradi  and  Lelio  Luzzi,“Collapse  of  Thick  Cylinders  Under  Radial  Pressure  and  Axial Load” Department of Nuclear Engineering, Italy, ASME , Vol. 72, JULY 2005.  

45  Lim M. Full  cost accounting  in solid waste management:  the gap  in  the  literature on newly industrialised countries. Journal of Applied Management Accounting Research 2011;9(1):21–36. 

46  Limin Yang, Torgeir Moan, “Dynamic analysis of wave energy converter by incorporating the effect of hydraulic transmission lines”, Ocean Engineering 38 (2011) 1849–1860 

47  LiminYang  ,  Jorgen Hals,  Torgeir Moan  ,  “Analysis  of  dynamic  effects  relevan  for  the wear damage in hydraulic machines for wave energy conversion”, Ocean Engineering 37, pp.1089–1102, 2010. 

48  Machine Design Book by Robert Norton, Pearson Education Publication. 

49  Mechanical Engineering Design Book by Joseph Edward Shigley, McGraw‐Hill Book Company.  

50  M  Osman  Abdalla  &  Others  "Analysis  of  Innovative  Design  of  Energy  Efficient  Hydraulic Actuators" year 2012 

51  M. O. Abdalla, T. Nagarajan, and M. H. Fakhruldin, "Numerical study of flow field and energy loss in hydraulic proportional control valve," in National Postgraduate conference NPC2011., UTP, Seri Iskandar, Perak, Malaysia., 2011. 

52  M. STOSIAK, “Vibration insulation of hydraulic system control components”, Archives of civil and mechanical engineering 2011, Vol. XI, No.1 

53  Mahadevia  D,  Wolfe  JM.  Solid  waste  management  in  indian  cities:  status  and  emerging practices. New Delhi: Concept Publishing Company; 2008. 

54  Malviya,  R.,  Chaudhary,  R.,  Buddhi,  D.,  2002.  Study  on  solid  waste  assessment  and management – Indore city. Indian Journal of Environmental Protection 22 (8), 841–846. 

55  Marjamäki H, Mäkinen J. The raising movement of a hydro‐mechanical lift frame, Rethymno, Greece; 13–16 June 2007. 

56  Ministry  of  Environment  and  Forests  (MoEF),  2000.  The  Gazette  of  India.  Municipal  Solid Waste (Management and Handling) Rules, New Delhi, India. 

57  Mouleeswaran  SENTHIL  KUMAR,  Sabapathy  VIJAYARANGAN“Analytical  and  Experimental Studies  on  Fatigue  Life  Prediction  of  Steel  and  Composite  Multi‐leaf  Spring  for  Light Passenger  Vehicles  Using  Life  Data  Analysis”, Materials  Science  (MEDŽIAGOTYRA).  Vol.  13, No. 2. 2007 

58  Mufeed  Sharholy,  Kafeel  Ahmad,  Gauhar  Mahmood  ,  R.C.  Trivedi.  Municipal  solid  waste management in Indian cities – A review. Waste Management 28 (2008) 459–467 

59  N.  Ravishankar,  "Finite  Element  Analysis  of    Hydraulic  Cylinders",  Nuclear  Energy  Service Journal of Mechanical Design, January 1981, Vol. 103/239 by ASME 

60  N.Upendra,  P.Moulali,  K.Ajay  Kumar  Reddy,  “Static  and  modal  analysis  of  laminated composite  Hydraulic  Cylinder”,  International  Journal  of  Engineering  Research  ,ISSN:2319‐6890) (online), 2347‐5013(print), Volume No.3 ,Issue No: Special 1, pp: 140‐143 22nd March 2014. 

61  Nema, A.K., 2004. Collection and transport of municipal solid waste. In: Training Program on Solid Waste Management. springer, Delhi, India. 

Page 131: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

References 

105  

62  Nestor F. Michelena and Alice M. Agogino, "Multiobjective Hydraulic Cylinder Design"  Dept. of  Mechanical  Engineering,  University  of  California,  Berkeley,  CA  94720,  Journal  of Mechanisms, Transmissions and Automation in Design ‐ March ‐ 1988, Vol. 110/81 by ASME 

63  Nitant M.  Tandel    and  Jigneshkumar M.  Parmar,  “A Review on Pressure Vessel Design  and Analysis” R.K university, Rajkot, Indian Journal of research, May 2013 

64  NPTEL, Module 7, Lesson 3, Design of Leaf Springs, IIT Kharagpur 

65  P.  Jean  and  D.  L’Hostis,  “Failure  of  chain  by  bending  on  Deepwater  Mooring  Systems” Offshore technology conference ,Houston, TX,USA , May 2005 

66  P. Krus, "On Load Sensing Fluid Power Systems," Division of Fluid Power Control Department of Mechanical Engineering, Linkoping University, Sweden, 1988. 

67  Papalambros,  P.,  and  Wilde,  D.  J.,  "Global  Non‐Iterative  Design  Optimization  Using Monotonicity Analysis," ASME Journal of Mechanical Design, Vol. 101, No. 4, Oct. 1979, pp. 645‐49. 

68  Papalambros.  P.  and  Li,  H.  L.  (1983)  Notes  on  the  operational  utility  of  monotonicity  in optimization. ASME  Journal  of Mechanisms,  Transmissions  and Automation  in Design,  105, (2), 174‐181. 

69  Pavankumar  Shah,  Prof.  Dhaval  Joshi,    Prof.  Dhaval  Patel  ,  “Dynamic  analysis  of  hydraulic cylinder of JCB JS 130 tracked Excavator”,IJEDR,Vol‐2,Issue‐2,pp:2635‐2647,2014 

70  Pfeiffer F. "Mechanical system dynamics", Berlin, Heidelberg: Springer; 2008. 

71  Pritish Tapare, Ajitabh Pateria, Yugesh Kharche. “Modeling and Analysis of Hydraulic Cylinder Using ANSYS Parametric Design Language”  Indian Research Transaction Vol. 5, No.2,pp105‐109; EISSN: 2250‐0804, Apr‐June 2015 

72  R. K. Kaushal & others, IIT, Delhi "Municipal Solid Waste Management in India ‐ Current state and Future Challenges: A Review, ISSN : 0975‐5462, Vol. 4 April 2012. pg. 1473 ‐ 1489 

73  Radostina  Petrova  and  Sotir  Chernev,    "Integrated  Technology  for  CAD Modeling  and  CAE Analysis  of  a  Basic Hydraulic  Cylinder"  Technical University  of  Sofia,  Faculty  of  Engineering and Education "HES" PLC, Yambol Bulgaria 

74  Rashmi  Ranjan  Nath,  “Design  and  Analysis  of  Thick  Walled  Cylinder  with  holes”  thesis, Mechanical Engineering department, NIT ROURKELA, 2008.  

75  Rathi,  S.,  2006.  Alternative  approaches  for  better  municipal  solid  waste  management  in Mumbai, India. Journal of Waste Management 26 (10), 1192–1200. 

76  Reddy,  S., Galab,  S., 1998. An  Integrated Economic and Environmental Assessment of  Solid Waste Management in India – the Case of Hyderabad, India. 

77  Report of the Task Force on Waste to Energy (volume I), Planning commission India, May 12, 2014. 

78  S. Habibi and A. Goldenberg, "Design of a new high performance electrohydraulic actuator," in  Proceedings  of  The  International  Conference  on  Advanced  Intelligent  Mechatronics, IEEE/ASME,, 1999, pp. 227‐232. 

79  S.  R.  Habibi  and  G.  Singh,  "Derivation  of  design  requirements  for  optimization  of  a  high performance hydrostatic actuation system,"  International Journal of Fluid Power, vol. 1, pp. 11‐27, 2000. 

80  Saeid  R.  Habibi  and  Gurwinder  Singh,    DERIVATION  OF  DESIGN  REQUIREMENTS  FOR OPTIMIZATION OF A HIGH PERFORMANCE HYDROSTATIC ACTUATION SYSTEM 

81  Sebastian Uzny,  “Free vibrations and  stability of hydraulic  cylinder  fixed elastically on both ends”,Proc. Appl. Math. Mech. 9, pp.303 – 304,2009 

Page 132: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

References 

106  

82  Sharholy M, Ahmad K, Mahmood G, Trivedi RC. Municipal solid waste management in Indian cities  –  a  review.  Waste  Management  2008;28:459–67, http://dx.doi.org/10.1016/j.wasman.2007.02.008. 

83  Shekdar, A.V., 1999. Municipal solid waste management – the Indian perspective. Journal of Indian Association for Environmental Management 26 (2), 100–108. 

84  Siddiqui,  T.Z.,  Siddiqui,  F.Z.,  Khan,  E.,  2006.  Sustainable  development  through  integrated municipal solid waste management (MSWM) approach – a case study of Aligarh District.  In: Proceedings  of  National  Conference  of  Advanced  in Mechanical  Engineering  (AIME‐  2006), Jamia Millia Islamia, New Delhi, India, pp. 1168–1175. 

85  Singresu S. Rao, “Mechanical Vibration”, Pearson Education, 4th Edition, 2010. 

86  Somnath Debnath and S.K.Bose.   Exploring  full  cost accouting approach  to evaluate cost of MSW services in India.  Resources, Conservation and Recycling 83 (2014) 87‐95 

87  Somwrita  Sarkar, Andy Dong and  John S. Gero  "A  LEARNING AND  INFERENCE MECHANISM FOR  DESIGN  OPTIMIZATION  PROBLEM  (RE)_FORMULATION  USING  SINGULAR  VALUE DECOMPOSITION" 

88  Srivastava,  P.K.,  Kushreshtha,  K.,  Mohanty,  C.S.,  Pushpangadan,  P.,  Singh,  A.,  2005. Stakeholder‐based  SWOT  analysis  for  successful  municipal  solid  waste  management  in Lucknow, India. Journal of Waste Management 25 (5), 531–537. 

89  Susan F i n g e r  and John R. Dixon,  A Review of Research in Mechanical Engineering Design. Part h Descriptive, Prescriptive, and Computer‐Based Models of Design Processes 

90  T.V. Ramachandra and Shruthi Bachamanda, “Environmental audit of Municipal Solid Waste Management”  IISC  Bangalore,  Int.  J.  Environmental  Technology  and  Management,  Vol.  7, Nos. 3/4, 2007  

91  Tae‐Gu  KIM,  Seong‐Beom  LEE  and  Hong‐Chul  LEE  “A  Case  Study  on  Engineering  Failure Analysis of Link Chain”, Safety and Health at Work 2010:1:43‐50 

92  ŢĂLU  D.L.MIHAI1,  ŢĂLU  D.L.  ŞTEFAN,  “A  Finite  Element  Analysis  of  Hydraulic  Cylinder  of Linear  Hydraulic  Motor  From  Horizontal  Hydraulic  Press  –  2  MN”,  Journal  of  Engineering Studies and Research – Volume 16 (2010) No. 4 

93  Tata ‐ Engineering Steels ‐ Hydraulic Cylinder Tube ‐ ST 52 & ST 52.3, www.tatasteelnz.com 

94  Umesh Singh, M.K Singh and Mohan Singh, “Failure analysis of bridle chain used for hoisting in mines” Patna, Bihar, Journal of Chemical Engineering and Material Science, April 2013  

95  V. B. Bhandari, Theory of Machine Elements, Tata McGraw‐ Hill Education, 2010 

96  V.  V.  Burenin,  “COMPUTING  THE  DAMPING  COEFFICIENTS  OF  HYDRAULIC  CYLINDERS”, Plenum Publishing Corporation; pp. 12‐13, July, 1985. 

97  Vincent,  T.  L.,  "Game  Theory  as  a  Design  Tool,"  ASME  JOURNAL  OF  MECHANISMS, TRANSMISSIONS, AND AUTOMATION IN DESIGN, Vol. 105, June 1983, pp. 165‐75. 

98  Vinkel Arora, Gian Bhushan and M.L. Aggarwal “Eye Design Analysis of Single Leaf Spring  in Automotive  Vehicles  using  CAE  Tools”,  International  Journal  of  Applied  Engineering  and Technology, 2011 Vol. 1 (1) October‐December, pp.88‐97 

99  Vitus M. Tabie, Yesuenyeagbe A. K. Fiagbe “Weight Optimization of A Lift‐Tipping Mechanism for  Small  Solid  Waste  Collection  Truck”,  International  Journal  of  Scientific  &  Technology Research Volume 3, Issue 7, July 2014. 

100  Welded chain specifications – National Asociation of Chain Manufacturers (NACM) 

101  Wilde, D. J., "Globally Optimal Design", Wiley Interscience, New York, 1978. 

102  Wilde,  D.  J.,  "Monotonicity  and  Dominance  in  Optimal  Hydraulic  Cylinder  Design,"  ASME Journal of Engineering for Industry, Vol. 97, No. 4, Nov. 1975, pp. 1390‐94 

Page 133: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

References 

107  

103  Wilde,  D.  J.,  "The  Monotonicity  Table  in  Optimal  Engineering  Design,"  Engineering Optimization, Vol. 2, 1976, pp. 29‐34. 

104  WojciechSochackia,“Modeling and analysis of damped vibration in hydraulic cylinder” Taylor &  Francis  publication,  Vol.  21,  No.  1,  23–37,  Mathematical  and  Computer  Modeling  of Dynamical Systems, 2015 

105  X.  Gao,  Q  chen,  “Static  and  dynamic  analysis  of  a  high  static  and  low  dynamic  stiffness vibration isolator utilizing the solid and liquid mixture”, Engineering structure 99 (2015) 205‐213 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 134: ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE … · I declare that the thesis entitled “ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF CONTAINER LIFTING DEVICE USED FOR SOLID WASTE MANAGEMENT”

List of Publications 

108  

LIST OF PUBLICATIONS 

1  Prof. U. V.  Shah, Himanshu Raiyani, Vijay Mistry  "Municipal  solid waste management  in Indian  cities  – A  review"  in  2nd  national  conference  on  emerging  trends  in  engineering technology & management at Indus institute of technology & engineering 

2  Prof. U. V. Shah, Himanshu Raiyani, Vijay Mistry "Scenario of Municipal Solid Waste Management in India – A Review" in National Conference on ‘Transportation and Water resource Engineering” (NCTWE – 2015) at L. D. College of Engineering, Ahmedabad 

3  Prof. U. V. Shah, Himanshu D. Raiyani, Prof. G. H. Upadhyay "Design and Dynamic analysis of  existing  container  lifting  device  used  for  Solid Waste  Management"  in  International Journal for Scientific Research and Development (IJSRD),Vol. 3, Issue 03, 2015, ISSN: 2321‐0613 

4  Prof. U. V. Shah, Dr. G. H. Upadhyay, "Optimization of Hydraulic Cylinder Design used for container  lifting  device  using Genetic  Algorithm"  in  International  Journal  of  Engineering and Techniques (IJET),  ISSN: 2395‐1303, Volume 4 Issue 1 – 2018.