Table Of Content16 Years
MRDE ERSH
Publications
amin11111•111111Mr.
Solved Papers
2001-2016
Topicwise Previous Years Solved Papers
INDIAN FOREST
SERVICES EXAMINATION
echanical Engineering
Paper-I
Also useful for Civil Services Main Examination,
Engineering Services Main Examination and
various State Engineering Services Examinations
/6(yeena4
\ 7
" PPrreevviioouuss YYeeaarrss SSoollvveedd PPaappeerrss (
L ' ~______.
\ fr
IInnddiiaann FFoorreesstt SSeerrvviicceess
EExxaammiinnaattiioonn
((22000011--22001166))
Mechaniccaall EEnnggiinneeeerriinngg
PP1a1peerr--1I
r
--------------. Topicwise Presentation
Topicwise Presentation )
AAllssoo uusseeffuull ffoorr EEnnggiinneeeerriinngg SSeerrvviicceess M Maaiinn EExxaammiinnaattiioonn,,
CCiivviill SSeerrvviicceess MMaaiinn EExxaammiinnaattiioonn aanndd vvaarriioouuss SSttaattee EEnnggiinneeeerriinngg
SSeerrvviicceess EExxaammiinnaattiioonnss
IC
IIMME EFISM
melons
MfflARDDEE EEAASSYY
-----PubliPcuablticiaotinonss
MIME WISH
PubStations
MMAADDEE EEAASSYY PPuubbllliccaattlioonnss
CCoorrppoorraattee OOffffiiccee:: 4444--AN/44,, KKaalluu SSaarraaii ((NNeeaarr HHaauuzz KKhhaass MMeettrroo SSttaattiioonn)),, NNeeww DDeellhhii--111100001166
EE--mmaaiill:: iinnffoommeepp@@mmaaddeeeeaassyy..iinn
CCoonnttaacctt:: 001111--4455112244666600,, 88886600337788000077
VViissiitt uuss aatt:: wwwwww..mmaaddeeeeaassyyppuubblliiccaattiioonnss..oorrgg
MMeecchhaanniiccaall EEnngginineeeerirningg :: IInnddiiaann F Foorreesstt SSeerrvviicceess EExxaammiinnaattiioonn ((PPrreevviioouuss YYeeaarns SSoollvveedd PPaappeerns)):: PPaappeerr--II
©© CCooppyyrriigghhtt,, bbyy MMAADDEE EEAASSYY PPuubblliiccaattiioonnss..
AAllll rriigghhttss aarree rreesseerrvveedd.. NNoo ppaarrtt ooff tthhiiss ppuubblliiccaattiioonn mmaayy bbee rreepprroodduucceedd,, ssttoorreedd iinn oorr iinnttrroodduucceedd iinnttoo aa
rreettrriieevvaall ssyysstteemm,, oorr ttrraannssmmiitttteedd iinn aannyy ffoorrmm oorr bbyy aannyy mmeeaannss ( (eelelecctrtroonnicic, , mmeecchhaannicicaall,, pphhoottoo--ccooppyyiinngg,,
rreeccoorrddiinngg oorr ootthheerrwwiissee)),, wwiitthhoouutt tthhee pprriioorr wwrriitttteenn ppeerrmmiissssiioonn ooff tthhee aabboovvee mmeennttiioonneedd ppuubblliisshheerr ooff
tthhiiss bbooookk..
FFiirrsstt EEddiittiioonn:: 22001177
c©o AAllll rriigghhttss rerseeservrveedd b byy M MAADDEE EEAASSYY PPUUBBLLICICAATITOINOSN. SN. oN poa prta ort fothf itsh isb obooko km maya yb eb ere rperpordoudcuecde do ro ur tuilitzileizde din i na nayn yfo fromrm w witihthoouutt tthhee
wwrriitttteenn ppeerrmmiissssiioonn ffrroomm tthhee ppuubblliisshheerr..
PPrreeffaaccee
OOuurr ccoouunnttrryy hhaass aa vvaasstt ffoorreesstt ccoovveerr ooff nneeaarr aabboouutt 2255%% ooff
ggeeooggrraapphhiiccaall aarreeaa aanndd iiff mmaann ddooeessnn''tt lleeaarrnn ttoo ttrreeaatt ttrreeeess wwiitthh
rreessppeecctt,, mmaann wwiillll bbeeccoommee eexxttiinncctt;; DDeeaatthh ooff f foorreesstt iiss eenndd ooff oouurr
lliiffee.. SScciieennttiiffiicc mmaannaaggeemmeenntt aanndd jjuuddiicciiaall eexxppllooiittaattiioonn ooff ffoorreesstt
bbeeccoommeess ffiirrsstt ttaasskk ffoorr ssuussttaaininaabblele d deevveellooppmmeenntt..
EEnnggiinneeeerr iiss oonnee ssuucchh pprrooffeessssioionn wwhhiicchh hhaass aann iinnbbuuiilltt wwoorrdd
""EEnnggiinneeeerr —- s skkilillfluful la arrrraannggeemmeenntt"" aanndd hheennccee IIFFSS iiss oonnee ooff tthhee BB.. SSiinngghh ((EExx.. IIEE SS))
mmoosstt ttaallkkeedd aabboouutt jjoobbss aammoonngg eennggiinneeeerrss ttoo ccoonnttrriibbuuttee tthheeiirr
kknnoowwlleeddggee aanndd sskkiillllss ffoorr tthhee aarrrraannggeemmeenntt aanndd mmaannaaggeemmeenntt ffoorr ssuussttaaiinnaabbllee ddeevveellooppmmeenntt
IInn oorrddeerr ttoo rreeaacchh ttoo tthhee eessttiimmaabbllee ppoossiittiioonn ooff D Diviviissiioonnaall FFoorreesstt OOffffiicceerr ((DDFFOO)),, oonnee nneeeeddss ttoo ttaakkee aann
aarrdduuoouuss jjoouurrnneeyy ooff IInnddiiaann FFoorreesstt SSeerrvviiccee EExxaammiinnaattiioonn.. FFooccuusseedd a apppprrooaacchh a anndd s sttrroonngg d deetteerrmmiinnaattiioonn
aarree tthhee pprree--rreeqquuiissiitteess ffoorr tthhiiss jjoouurrnneeyy.. BBeessiiddeess tthhiiss,, aa ggoooodd bbooookk aallssoo ccoommeess iinn tthhee lliisstt ooff eesssseennttiiaall
ccoommmmooddiittyy o off t thhiiss ooddyysssseeyy..
II ffeeeell eexxttrreemmeellyy ggllaadd ttoo llaauunncchh tthhee ffiirrsstt eeddiittiioonn ooff ssuucchh aa bbooookk wwhhiicchh wwiillll nnoott oonnllyy mmaakkee IInnddiiaann FFoorreesstt
SSeerrvviiccee EExxaammiinnaattiioonn ppllaaiinn ssaaiilliinngg,, bbuutt aallssoo wwiitthh 110000%% ccllaarriittyy iinn ccoonncceeppttss..
MMAADDEE EEAASSYY t teeaamm hhaass pprreeppaarreedd tthhiiss bbooookk wwiitthh uuttmmoosstt ccaarree aanndd tthhoorroouugghh ssttuuddyy o off a allll pprreevviioouuss yyeeaarrss''
ppaappeerrss ooff IInnddiiaann FFoorreesstt SSeerrvviiccee EExxaammiinnaattioionn. .T Thhee b booookk aaimimss t too pprroovviiddee ccoommpplleettee ssoolluuttiioonn ttoo aallll
pprreevviioouuss yyeeaarrss'' qquueessttiioonnss wwiitthh aaccccuurraaccyy..
OOnn ddooiinngg aa ddeettaailileedd a annaalylyssiiss ooff p prreevviioouuss yyeeaarrss'' IInnddiiaann FFoorreesstt SSeerrvviiccee EExxaammiinnaattiioonn qquueessttiioonn ppaappeerrss,,
iitt ccaammee ttoo lliigghhtt tthhaatt aa ggoooodd ppeerrcceennttaaggee o off q quueessttiioonnss hhaavvee bbeeeenn aasskkeedd iinn EEnnggiinneeeerriinngg SSeerrvviicceess,, IInnddiiaann
FFoorreesstt SSeerrvviicceess aanndd SSttaattee SSeerrvviicceess eexxaammss. . HHeennccee, ,t thhisis bbooookk iiss aa oonnee ssttoopp sshhoopp ffoorr aallll IInnddiiaann FFoorreesstt
SSeerrvviiccee EExxaammiinnaattiioonn,, CCSSEE,, EESSEE a anndd o oththeerr c coommppeettiittiivvee eexxaamm aassppiirraannttss..
II wwoouulldd lliikkee ttoo aacckknnoowwlleeddggee eeffffoorrttss ooff eennttiirree MMAADDEE EEAASSYY tteeaamm wwhhoo wwoorrkkeedd ddaayy aanndd nniigghhtt ttoo ssoollvvee
pprreevviioouuss yyeeaarrss'' ppaappeerrss i nin a a l ilmimititeedd ttiimmee ffrraammee aanndd II hhooppee tthhiiss bbooookk wwiillll pprroovvee ttoo bbee aann eesssseennttiiaall ttooooll
ttoo ssuucccceeeedd iinn ccoommppeettiittiivvee eexxaammss aanndd mmyy ddeessiirree ttoo sseerrvvee ssttuuddeenntt ffrraatteerrnniittyy bbyy pprroovviiddiinngg bbeesstt ssttuuddyy
mmaatteerriiaall aanndd qquuaalliittyy gguuiiddaannccee wwiillll ggeett aaccccoommpplliisshheedd..
WWiitthh BBeesstt WWiisshheess
BB.. SSiinngghh
CCMMDD,, MMAADDEE EEAASSYY GGrroouupp
PPrreevviioouuss YYeeaarrss SSoollvveedd PPaappeerrss
IInnddiiaann FFoorreesstt SSeerrvviicceess
EExxaammiinnaattiioonn
MMeecchhaanniiccaall EEnnggiinneeeerriinngg
PPaappeerr--II
SSII.. TTOOPPIICC PPAAGGE EN oN. o. SSII.. TOTOPPIICC PPAAGGEE NNoo..
11.. TThheeoorryy- ooff MMaacchhiinneess ................................. 11 33.. PPhhaassee aanndd PPhhaassee DDiiaaggrraammss .......................................... 115555
11.. AAnnaallyyssiiss ooff PPllaannee MMeecchhaanniissmm ........................................... 11 44.. HHeeaatt TTrreeaattmmeenntt ooff SStteeeellss ............................................... 115577
22.. CCAAMM ...........................................................................................8 8 55.. SSttrreennggtthheenniningg M Meecchhaannisismm & & F Faaiilluurree iinn MMaatteerriiaallss .... 116644
33.. GGeeaarr aanndd GGeeaarr TTrraaiinn .......................................................... 1122 66.. OOrrggaanniicc aanndd CCeerraammiicc MMaatteerriiaa lIss ................................. 116666
44.. FFllyywwhheeeellss .............................................................................. 2255 44.. MMaannuuffaacctuturrining gS Scciienecne .c....e...-...-..- --------- 117711
55.. GGoovveerrnnoorrss ............................................................................. 3322 11.. MMeettaall CCuuttttiinngg .................................................................... 117711
66.. BBaallaanncciinngg .............................................................................. 3399 22.. MMeettaall FFoorrmmiinngg .................................................................. 119900
77.. VViibbrraattiioonn ............................................................................... 5500
33.. WWeellddiinngg aanndd CCaassttiinngg ...................................................... 220055
88.. BBeelltt && CChhaaiinn DDrriivvee .............................................................. 6644 44.. EEnnggiinneeeerriinngg MMeettrroollooggyy ................................................. 220066
99.. BBeeaarriinngg .................................................................................. 7766 55.. NNoonn--CCoonnvveennttiioonnaall MMaacchhiinniinngg MMeetthhooddss ................. 221133
22.. MMeecchhaanniiccss ooff SSoolliiddss ...............................77 99 66.. NNCC,, CCNNCC, ,J JIGIG a anndd FFiixxttuurreess ............................................. 222222
11.. SSttrreessss,, SSttrraaiinn aanndd EEllaassttiicc CCoonnssttaannttss ............................. 7799 55.. MMaannuufafactcutruinrign Mg aMnaagneamgeenmt e_nt_ .-_---_-- 223344
22.. SShheeaarr FFoorrccee aanndd BBeennddiinngg MMoommeenntt DDiiaaggrraamm ........... 8899
11.. BBrreeaakk EEvveenn AAnnaalylyssisis a anndd IInnvveennttoorryy CCoonnttrroollss ......... 223344
33.. SShheeaarr SSttrreessss aanndd BBeennddiinngg SSttrreessss ................................ 110022
22.. SScchheedduulliinngg ......................................................................... 224466
44.. TToorrssiioonn ooff SShhaaffttss. .............................................................. 111133
33.. PPrroodduuccttiioonn SSyysstteemmssaanndd QQuueeuuiinngg MMooddeellss .............. 224477
55.. PPrriinncciippllee SSttrreessss aanndd SSttrraaiinn,, MMoohhrr''ss CCiirrccllee ................ 111177
44.. FFaacciilliittyy LLaayyoouutt aanndd LLiinnee BBaallaanncciinngg ............................ 225522
66.. SSttrraaiinn EEnneerrggyy aanndd TThheeoorryy ooff FFaaiilluurree .......................... 112233
55.. FFoorrccaassttiinngg ........................................................................... 225588
77.. DDeefflleeccttiioonn ooff BBeeaammss ....................................................... 113300 66.. PPEERRTT a anndd CCPPMM ................................................................... 226644
8B.. PPrreessssuurree VVeesssseell. ................................................................. 113333 77.. WWoorrkk SSttuuddyy aanndd WWoorrkk M Meeaassuurreemmeenntt ........................ 227722
99.. SSpprriinnggss aanndd CCoolluummnn ....................................................... 113377 8B.. LLiinneeaarr PPrrooggrraammmmiinngg. ...................................................... 227788
11 00.. SSpprriinnggss aanndd CCoolluummnn ....................................................... 114455 99.. TTrraannssppoorrttaattiioonn aanndd AAssssiiggnnmmeenntt MMooddeellss. ................ 228877
33.. EnEgnignieneereirningg M Maatteerriiaallss ........................ 114477 1100.. MMRRPP-1-I a anndd IIII,, JJIITT a anndd VVaalluuee AAnnaallyyssiiss ........................... 229911
11.. SSttrruuccttuurree ooff SSoolliiddss aanndd DDeeffeeccttss .................................. 114477 1111.. SSttaattiissttiiccaall QQuuaalliittyy CCoonnttrrooll ............................................. 229955
22.. FFeerrrroouuss,, NNoonn--FFeerrrroouuss MMeettaallss aanndd AAllllooyyss .................. 115533 1122.. TTQQMM, ,S Suuppppllyy CChhaaiinn MMaannaaggeemmeennt t& & RReelliiaabbiilliittyy ..... 330000
•••
• • •
ogi
Theory of Machines
1. Analysis of Plane Mechanism
0.1 Single cylinder vertical engine has a bore of 30.5 cm, a stroke of 40 cm, and a connecting rod 80 cm
long. When the piston is at its quarter stroke and moving downwards, the net pressure on it is 65 N/cm2.
(i) If the speed of the engine is 250 rpm and the total equivalent mass of the reciprocating parts is
assumed to be 135 kg, find the net-turning moment on the crank-shaft at the above condition
without considering the mass of the connecting rod.
(ii) If the actual mass of the reciprocating parts is 90 kg and that of connecting rod is 120 kg,
determine the actual turning moment available at the crank-shaft for the same instant. The CG of
the connecting rod is 50 cm from the small end and the radius of gyration about its centroidal
axis is 30 cm.
(iii) Find out the percentage of error in the approximate calculation as in (i).
[IFS (Mains) 2002 : 10+3+2 = 15 Marks]
Solution:
Given, Cylinder bore, d = 30.5 cm, Cylinder stroke, / = 2 r = 40 cm = stroke, Length of connecting rod,
L =80 cm
Net pressure on piston at quarter stroke,
65 N/cm2
Pnet =
L 80
n= q
r 20
Engine speed, N = 250 rpm = co = (2mN)/60
(i) When the piston is at its quarter stroke and mass of connecting rod is neglected.
X = r (1 - cos 0)
- = r (1 - cos 0) [outer stroke]
4
2r
— = r (1 - cos 0)
4
1
cos 0= -
2
or 0 = 60°
sine sin60°
and sing- - 0.2165
4 4
13 = 12.50
Force on piston, fg = net x -d2) = 65 x 71(30.5)2 = 47.46 kN
\4 4
[ + cos 201
Accelerating force/Inertia force, fb = mrco2 cos°
n
2 IFS (Mains) Previous Solved Papers Mechanical Engineering
135 20 (27425 012 cos120°1
fb x [cos 60° +
x (100) 60 4
fb = 6.939 kN
Net force on the piston, fp = fg - fb + mg
6.939 +035 x 9.81)
f = 47.49 _
103
f = 41.875 kN
ft = crank effort
f t - cFosP i 3 (sin(0 + 0))
41.875
f - sin(12.50° + 60°)
cos(12.50°)
ft = 40.906 kN
Net turning moment = ft x r = 40.908 x 0.2 = 8.1812 kN-m
(ii) AT = correction torque
ET= mcb ac (1 - L)
m = mass of connecting rod = 120 kg
mass at the crank pin = 120 x 1 08= 75 kg
mass at gudeon pin = 120 - 75 = 45 kg
B A
Total reciprocating mass = 45 + 90 = 135 kg Piston pin Crank pin
G
Inertia force, fb remains same = 6.939 kN (I) •
t. b 1-14 d-H
fg = 47.49 kN
[
Torque (T1) due to net reciprocating masses remains same, f, 1
Ti = 8.1816 kN-m
As, a, = Angular acceleration of connecting rod
2
n2 - 1 4 1 I
a, = -0)2 sin° 2 (26.16)2 sin60° (42
-
(n2 -s i2n 0)31 sin2 600)3/2
= -(592.96) x (0.2518) = -149.307 rad/sec2
As, L b + d
K2
L = b + — ; k = radius of gyration
L= 50 + (°)2 =68 cm
50
(Al) = m a, b (1- L) = 120 x (-149.352) x 0.5 (0.8 - 0.68)
(AT) = -1.0753 kN-m
cosh cos 60°
The correction torque (Tc), Tc = (AT) 1.0753 0.1376 kN-m
Vn2 - sin2 0 V42 - sin2 60°
Theory of Machines 3
MROE ERSH
Torque due to weight of mass at crank pin
T3 = (mag) = 75 x 10 x 0.2 sin 60°
= 0.129 kN-m
Net torque (T) on the crank shaft,
T' = - + T3 = 8.1816 - 0.1376 + 0.129 = 8.173 kN-m
8.173 -8.1816
% error = T'-T x100 = x100 = 0.1051%
T 8.1816
Q.2 A crank and slotted lever quick return motion mechanism has the following specifications :
Distance between fixed centres = 200 mm, Length of the driving crank = 100 mm
Sketch the mechanism. Determine the inclination of the slotted bar with the vertical in the extreme
position and the ratio of cutting stroke to return stroke.
[IFS (Mains) 2004: 10 Marks]
Solution:
Given, A crank and slotted lever mechanism
Distance between fixed centres, OA = 200 mm
Length of crank, r = 100 mm
In the extreme position:
From A OPA,
r
cos a =
OA
100
cos a =
200 °.5
a = 60°
and 0 = 90° - 60° = 30°
The inclination of the slotted bar with the vertical in extreme position = 30°.
And ratio of cutting stroke to return stroke,
Time of cutting 360° - 2a
Time of return - 2a
360° 360°
1= 1
2a 120°
Time of cutting
- 2
Time of return
4 1 IFS (Mains) Previous Solved Papers Mechanical Engineering
Q.3 Derive an expression for the acceleration of the piston of a reciprocating engine. The following details
pertain to a single cylinder vertical engine:
Bore = 20 cm, Stroke = 40 cm, Connecting rod length = 80 cm, Mass of reciprocating part =
140 kg, Net gas pressure at the piston when the crank angle is 45° = 65 N/cm2 and Speed of the
engine = 300 rpm.
Determine the turning moment on the crank shaft when the crank angle is 45°.
[IFS (Mains) 2005 : 7+8 = 15 Marks]
Or
With usual notations show that the velocity of slider of slider-crank mechanism is expressed
approximately by
sin29 )
Vp = ((oor 1si n 0 + where n = Length of the connecting rod/crank radius.
2n
[IFS (Mains) 2008 : 10 Marks]
Solution:
Acceleration of the piston of a reciprocating engine.
x = displacement of piston from inner dead centre.
x = BB' = BO - B' 0 = BO - (B'Ai + A10)
x = (/ + r) - (1 cos p + r cos 0)
2
Taking, (n = I/ r) and cos p =\I 1- f-r
x = r [(n +1)- (n cos p + cos 0)]
x = r[(n +1) - n2 - sin2 0 + cos 0)]
x = r[(1 - cos0)+ (n - n2 - sin2 0)]
When connecting rod is very large compared to crank, n2 will be large and
(NI n2 sin2 0) n
So, x = r (1 - cos 0)
dx _ dx d0 d de
Now, ,[r 1(1 - cos e) + (n - \ 1112 —sin-90)}]
v dt dO X dt cT dt
2 2 -1/2
v = cor[(0 + sin0)+ 0 -1(n - sin 0) (-2sinecose)]
2
sin20 1
V= (or[ s in0+
2\ I n2 - sin2 9
MIME ERSY Theory of Machines 5
If n2 is large compared to sin20
V. cor[sin0 + sin2e1
2n
Acceleration of piston,
dv .=, ( dv dO) , d
a rco sin0 + sin26 co
dt de dt ) de 2n
cos20) cos 20)
a = rco1 cos() + 0) _ co2 riCOSO ±
n n )
For the given single cylinder vertical engine:
Bore, d = 20 cm, Stroke, 1= 2r = 40 cm, Connecting rod length, L = 80 cm, Mass, m = 140 kg
Net piston pressure, Pnet = 65 N/cm2, Engine speed, N= 300 rpm
27th 27c(300)
co — — 31.4 rad/sec
60 60
0 (crank angle) = 45°
Fp (Gas pressure force) =
pnet x (-7 -t d2)
4
Fp = (65) x Lt (20)2 = 20.41 kN
4
2 cos 261
Fb (inertia force) = mao [COS6
cos90°1
Fb = 140 x 2° x (31.4)2[cos45° + 19.52 kN
10 0 4
F = Net force on the vertical engine piston = Fp + mg — Fb
(140x 9.81)
F = 20.41+ 19.52 = 2.263 kN
1000
Turing moment (7) = Ft x r — sin(0 +13) x r
cos p
and, L sin p = r sin 0
sine sin45°
sin p = (80 / 20)= 0 .1767 = 10.182°
n
2.263 x 103
So, T = sin(45° + 10.182°) x 0.2
cos(10.182°)
Turning moment on crank-shaft at 45° crank angle,
T = 377.516 N-m
Q.4 (i) In a four-bar mechanism, S and L are the lengths of the shortest and the longest links, P and Q
are the lengths of the remaining links. State the condition for at least one link to make a full
revolution. Sketch and name the mechanism.
(ii) Define pressure angle in a cam-follower and state its importance. Show it on a sketch.
[IFS (Mains) 2007 : 10 Marks]
Solution:
According to Grashof's Law a four-bar mechanism has at least one link to make a full revolution if the sum of
the lengths of the largest and the shortest links is less than the sum of lengths of the other two links.
i.e. S+L<P+Q
