JP2020085050A - 液圧システム - Google Patents

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Abstract

【課題】カウンターバランス弁を用いずにシリンダの速度等を安定して制御することができる液圧システムを提供する。【解決手段】液圧システムは、チューブの内部がピストンによって第１圧力室と第２圧力室とに仕切られたシリンダと、第１給排ラインにより第１圧力室と接続された第１両回転ポンプと、第２給排ラインにより第２圧力室と接続されるとともに、第１両回転ポンプとトルク伝達可能に連結された第２両回転ポンプと、第１両回転ポンプと第２両回転ポンプの一方から排出された作動液を他方へ導くように第１両回転ポンプと第２両回転ポンプとを接続する中継ラインと、第１両回転ポンプまたは第２両回転ポンプを駆動する電動モータと、を備え、第１両回転ポンプと第２両回転ポンプの少なくとも一方は、一回転当りの吐出容量が任意に変更可能な可変容量型のポンプである。【選択図】図１

Description

本発明は、シリンダを含む液圧システムに関する。
例えば、プレス機械などに組み込まれる液圧システムには、可動型などの移動物を鉛直方向に沿って移動させる片ロッドシリンダと、このシリンダと閉回路を形成するように接続された両回転ポンプを含むものがある。両回転ポンプは、通常、サーボモータにより駆動される。
例えば、特許文献１には、図５に示すようなプレス機械に組み込まれる液圧システム１００が開示されている。この液圧システム１００は、両端が閉塞されたチューブ１１１からロッド１１２が下向きに突出するように配置された片ロッドシリンダ１１０を含む。すなわち、ロッド１１２の伸長によって移動物（可動型）１６０が下降され、ロッド１１２の短縮によって移動物１６０が上昇される。
シリンダ１１０のロッド側室１１３は第１給排ライン１２０により両回転ポンプ１４０と接続されており、シリンダ１１０のヘッド側室１１４は第２給排ライン１３０により両回転ポンプ１４０と接続されている。第１給排ライン１２０には、カウンターバランス弁１２１が設けられている。さらに、第１給排ライン１２０には、カウンターバランス弁１２１をバイパスするようにバイパスライン１２２が接続されており、このバイパスライン１２２に速度切換弁１２３が設けられている。
移動物１６０の下降速度は、速度切換弁１２３により比較的に速い接近速度と比較的に遅い加工速度との間で切り換えられる。すなわち、プレス時には、カウンターバランス弁１２１によってロッドの伸長に対して反力が与えられる。
特許第４４０２８３０号公報
図５に示す液圧システム１００のように、プレス時にカウンターバランス弁によってロッドの伸長に対して反力が与えられる構成では、シリンダの速度、ストロークあるいは推力（以下、シリンダの速度等と略する）を安定して制御することができる。しかしながら、この構成では、作動液がカウンターバランス弁を通過するためにエネルギーロスが発生する。なお、カウンターバランス弁は、ロッドの短縮に対して反力を与えるように用いられることもある。
あるいは、カウンターバランス弁は、図５とは逆にロッドがチューブから上向きに突出する場合でも、片ロッドシリンダの軸方向が水平である場合でも、シリンダの速度等を安定して制御するために、ロッドの伸長または短縮に対して反力を与えるように用いられることがある。このような構成でも、作動液がカウンターバランス弁を通過するためにエネルギーロスが発生する。さらに、カウンターバランス弁は、両ロッドシリンダの速度等を安定して制御するために、チューブに対するロッドの相対移動に対して反力を与えるように用いられることもある。
そこで、本発明は、カウンターバランス弁を用いずにシリンダの速度等を安定して制御することができる液圧システムを提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の液圧システムは、チューブの内部がピストンによって第１圧力室と第２圧力室とに仕切られたシリンダと、第１給排ラインにより前記第１圧力室と接続された第１両回転ポンプと、第２給排ラインにより前記第２圧力室と接続されるとともに、前記第１両回転ポンプとトルク伝達可能に連結された第２両回転ポンプと、前記第１両回転ポンプと前記第２両回転ポンプの一方から排出された作動液を他方へ導くように前記第１両回転ポンプと前記第２両回転ポンプとを接続する中継ラインと、前記第１両回転ポンプまたは前記第２両回転ポンプを駆動する電動モータと、を備え、前記第１両回転ポンプと前記第２両回転ポンプの少なくとも一方は、一回転当りの吐出容量が任意に変更可能な可変容量型のポンプである、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、第２両回転ポンプが第１両回転ポンプとトルク伝達可能に連結されているので、電動モータによって第１両回転ポンプと第２両回転ポンプのどちらかが駆動されれば、それらの双方が駆動される。そして、第１両回転ポンプと第２両回転ポンプの少なくとも一方は一回転当りの吐出容量が任意に変更可能な可変容量型のポンプであるので、第１両回転ポンプと第２両回転ポンプの回転数比が一定でも、第１両回転ポンプと第２両回転ポンプとの吐出容量比を適切に設定することができる。これにより、カウンターバランス弁を用いずに、シリンダが片ロッドシリンダの場合はロッドの伸長または短縮に対して、シリンダが両ロッドシリンダの場合はチューブに対するロッドの相対移動に対して反力を与えることができる。その結果、シリンダの速度等を安定して制御することができる。
さらに、第２両回転ポンプが第１両回転ポンプとトルク伝達可能に連結されていることは、特別な効果を奏する。例えば、シリンダが移動物を鉛直方向に沿って移動させる場合は、移動物の下降時に、第１両回転ポンプと第２両回転ポンプの一方（シリンダから排出される作動液が流入する方）によって移動物の位置エネルギを回転トルクの形で回収することができる。あるいは、シリンダが移動物を水平方向に沿って移動させる場合でも、第１両回転ポンプと第２両回転ポンプの一方の駆動力を、ロッドの伸長または短縮に対する反力を生み出すためのトルクの形で回収することができる。従って、移動物の移動方向に拘らずに、第１両回転ポンプと第２両回転ポンプの他方の駆動をアシストすることができる。
前記第１両回転ポンプと前記第２両回転ポンプの一方は、一回転当りの吐出容量が任意に変更可能な可変容量型のポンプであり、前記第１両回転ポンプと前記第２両回転ポンプの他方は、一回転当りの吐出容量が変更不能な固定容量型のポンプであるか、一回転当りの吐出容量が第１固定値と第２固定値のどちらかに選択的に切り換えられる可変容量型のポンプであってもよい。この構成によれば、第１両回転ポンプと第２両回転ポンプの双方が可変容量型のポンプである場合に比べて、コストを低減することができる。
あるいは、前記第１両回転ポンプと前記第２両回転ポンプの双方が、一回転当りの吐出容量が任意に変更可能な可変容量型のポンプであってもよい。この構成によれば、第１両回転ポンプと第２両回転ポンプの一方が固定容量型のポンプまたは吐出容量切換式の可変容量型のポンプである場合に比べて、よりフレキシブルな流量制御を行うことができる。
前記第１両回転ポンプは、シリンダ側ポート（接続先がシリンダであるポンプポート）と、このシリンダ側ポートよりも大径の反シリンダ側ポート（接続先がシリンダではないポンプポート）を含み、前記第２両回転ポンプは、シリンダ側ポートと、このシリンダ側ポートよりも大径の反シリンダ側ポートを含んでもよい。この構成によれば、第１両回転ポンプおよび第２両回転ポンプのそれぞれにおいて、反シリンダ側ポートと連通するポンプ内の通路はシリンダ側ポートと連通する通路と比較して低い圧力しか受けないので、高い圧力に耐えられる強度は不要となり、通路面積を大きく確保することができる。従って、作動液が通路を通過するときに発生する圧力損失を小さく抑えることができる。
例えば、前記シリンダは、両ロッドシリンダであってもよいし、片ロッドシリンダであってもよい。
上記の液圧システムは、前記中継ラインとタンクとを接続する導入ラインと、前記導入ラインに設けられた、前記タンクから前記中継ラインに向かう流れは許容するがその逆の流れは禁止する逆止弁と、前記中継ラインとタンクとを接続する導出ラインと、前記導出ラインに設けられた、前記中継ラインの圧力が設定値よりも高くなったときに前記中継ラインから前記タンクへ向かう流れを許容する導出弁と、をさらに備えてもよい。この構成によれば、第１両回転ポンプまたは第２両回転ポンプの吸入流量が不足すること、および中継ラインの圧力が高くなり過ぎることを防止することができる。
本発明によれば、カウンターバランス弁を用いずにシリンダの速度等を安定して制御することができる。
本発明の第１実施形態に係る液圧システムの概略構成図である。 第１実施形態の変形例の液圧システムの概略構成図である。 第１実施形態の別の変形例の液圧システムの概略構成図である。 本発明の第２実施形態に係る液圧システムの概略構成図である。 従来の液圧システムの概略構成図である。
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係る液圧システム１Ａを示す。この液圧システム１Ａは、例えば、プレス機械などに組み込まれる。液圧システム１Ａで用いられる作動液は、典型的には油であるが、水などであってもよい。
液圧システム１Ａは、シリンダ５を含む。本実施形態では、シリンダ５が、移動物１０を鉛直方向に沿って移動させる片ロッドシリンダ５である。シリンダ５の軸方向は、鉛直方向と完全に平行である必要はなく、鉛直方向に対して僅かに（例えば、鉛直方向に対する角度が１０度以下で）傾いていてもよい。あるいは、シリンダ５の軸方向は水平方向または斜め方向であってもよい。
さらに、液圧システム１Ａは、シリンダ５と閉回路を形成するように接続された第１両回転ポンプ３および第２両回転ポンプ４を含む。その閉回路は、導入ライン６４および導出ライン６６によりタンク６０と接続されている。
シリンダ５は、ヘッドカバーおよびロッドカバーにより両端が閉塞されたチューブ５５と、チューブ５５の内部をヘッドカバー側の第１圧力室５１とロッドカバー側の第２圧力室５２とに仕切るピストン５６と、ピストン５６からロッドカバーを貫通して延びるロッド５７を含む。つまり、本実施形態では、第１圧力室５１がヘッド側室、第２圧力室５２がロッド側室である。そして、ロッド５７の先端に移動物１０が取り付けられている。
本実施形態では、シリンダ５がロッド５７がチューブ５５から下向きに突出するように配置されている。すなわち、第１圧力室５１が上側、第２圧力室５２が下側に位置し、第２圧力室がロッド５７および移動物１０の自重により加圧される。ただし、シリンダ５がロッド５７がチューブ５５から上向きに突出するように配置され、第２圧力室５２が上側、第１圧力室５１が下側に位置してもよい。
第１両回転ポンプ３は、当該ポンプの回転方向によって吸入ポートとなるか吐出ポートとなるかが切り換わるシリンダ側ポート３１および反シリンダ側ポート３２を含む。シリンダ側ポート３１は、第１給排ライン６１によりシリンダ５の第１圧力室５１と接続されている。シリンダ側ポート３１は高圧に耐えられるように設計され、反シリンダ側ポート３２は低圧に保たれる。このため、反シリンダ側ポート３２はシリンダ側ポート３１よりも大径である。
第２両回転ポンプ４は、当該ポンプの回転方向によって吸入ポートとなるか吐出ポートとなるかが切り換わるシリンダ側ポート４１および反シリンダ側ポート４２を含む。シリンダ側ポート４１は、第２給排ライン６２によりシリンダ５の第２圧力室５２と接続されている。シリンダ側ポート４１は高圧に耐えられるように設計され、反シリンダ側ポート４２は低圧に保たれる。このため、反シリンダ側ポート４２はシリンダ側ポート４１よりも大径である。
第２両回転ポンプ４の反シリンダ側ポート４２は、中継ライン６３により第１両回転ポンプ３の反シリンダ側ポート３２と接続されている。これにより、第１両回転ポンプ３と第２両回転ポンプ４の一方から排出された作動液が中継ライン６３を通じて他方へ導かれる。
上述した導入ライン６４および導出ライン６６は、中継ライン６３とタンク６０とを接続する。導入ライン６４には逆止弁６５が設けられており、導出ライン６６には導出弁６７が設けられている。逆止弁６５は、タンク６０から中継ライン６３に向かう流れは許容するがその逆の流れは禁止する。
導出弁６７は、中継ライン６３の圧力が設定値（例えば、０．１〜２ＭＰａ）よりも高くなったときに中継ライン６３からタンク６０へ向かう流れを許容し、それ以外のときは中継ライン６３とタンク６０との間の流れを禁止する。本実施形態では、導出弁６７が、クラッキング圧が少し高く設定された逆止弁であるが、導出弁６７はリリーフ弁であってもよい。
第１両回転ポンプ３と第２両回転ポンプ４とは、トルク伝達可能に連結されている。本実施形態では、第１両回転ポンプ３と第２両回転ポンプ４とが同軸上に配置されている。例えば、第１両回転ポンプ３の回転軸と第２両回転ポンプ４の回転軸とがカップリングなどにより直接的に連結される。
ただし、第１両回転ポンプ３の回転軸と第２両回転ポンプ４の回転軸との間に複数のギアが設けられ、第１両回転ポンプ３と第２両回転ポンプ４とが並列に配置されてもよい。この場合、第１両回転ポンプ３の回転数と第２両回転ポンプ４の回転数とを異ならせてもよい。
本実施形態では、第１両回転ポンプ３が、一回転当りの吐出容量が任意に変更可能な可変容量型のポンプ（斜板ポンプまたは斜軸ポンプ）であり、第２両回転ポンプ４が、一回転当りの吐出容量が変更不能な固定容量型のポンプである。第１両回転ポンプ３の吐出容量を規定する傾転角は、レギュレータ３５により調整される。例えば、レギュレータ３５は、第１両回転ポンプ３が斜板ポンプである場合、第１両回転ポンプ３の斜板と連結されたサーボピストンに作用する油圧を電気的に変更するものであってもよいし、第１両回転ポンプ３の斜板と連結された電動アクチュエータであってもよい。
なお、第２両回転ポンプ４は、図２に示すように、一回転当りの吐出容量が第１固定値ｑ１と第１固定値ｑ１よりも大きな第２固定値ｑ２のどちらかに選択的に切り換えられる可変容量型のポンプ（斜板ポンプまたは斜軸ポンプ）であってもよい。この構成によれば、シリンダ５の速度を低速にするか高速にするかを切り換えることができる。この場合、第２両回転ポンプ４の吐出容量を規定する傾転角は、レギュレータ４５により調整される。例えば、レギュレータ４５は、第２両回転ポンプ４が斜板ポンプである場合、第２両回転ポンプ４の斜板と連結されたサーボピストンに作用する油圧を電気的に変更するものであってもよいし、第２両回転ポンプ４の斜板と連結された電動アクチュエータであってもよい。
図１に戻って、本実施形態では、第１両回転ポンプ３が、電動モータ２によって駆動される。例えば、第１両回転ポンプ３の回転軸と電動モータ２の回転軸とがカップリングなどにより直接的に連結される。ただし、第２両回転ポンプ４の回転軸に電動モータ２の回転軸が連結され、第２両回転ポンプ４が電動モータ２によって駆動されてもよい。電動モータ２としては、サーボモータを用いることが望ましいが、一般的なモータが用いられてもよい。
以上説明したように、本実施形態の液圧システム１Ａでは、第２両回転ポンプ４が第１両回転ポンプ３とトルク伝達可能に連結されているので、電動モータ２によって第１両回転ポンプ３が駆動されれば、第２両回転ポンプ４も駆動される。そして、第１両回転ポンプ３は一回転当りの吐出容量が任意に変更可能な可変容量型のポンプであるので、第１両回転ポンプ３と第２両回転ポンプ４の回転数比が一定でも、第１両回転ポンプ３と第２両回転ポンプ４との吐出容量比をシリンダ５の第１圧力室５１と第２圧力室５２との面積差に応じて適切に設定することができる。さらに、第１両回転ポンプ３が可変容量型のポンプであることにより、二つの給排ライン６１，６２の圧縮性等による影響にも拘らず、給排ライン６１，６２のそれぞれの圧力をより適切に制御することができる。これにより、カウンターバランス弁を用いずにシリンダ５の伸長に対して反力を与えることができる。その結果、シリンダ５の速度等を安定して制御することができる。
さらに、本実施形態では、移動物１０の下降時に、第２両回転ポンプ４によって移動物１０の位置エネルギを回転トルクの形で回収することができる。しかも、第２両回転ポンプ４は第１両回転ポンプ３とトルク伝達可能に連結されているので、移動物１０の位置エネルギにより第１両回転ポンプ３の駆動をアシストすることができる。従って、移動物１０の位置エネルギが熱となって消失することが抑制され、省エネルギとなる。また、作動液の発熱量が減少することから、作動液が油である場合の作動液の劣化が生じ難い。
なお、上記の第１両回転ポンプ３の駆動をアシストすることができるという効果は、シリンダ５が移動物１０を水平方向に沿って移動させる場合にも得ることができる。その理由は、第１両回転ポンプ３の駆動力を、ロッド５７の伸長に対する反力を生み出すためのトルクの形で回収することができるからである。
ところで、図５に示すような従来の液圧システム１００では、両回転ポンプ１４０の両ポートが同時ではないにせよ、高圧になる場合があるので、両回転ポンプ１４０として特殊なポンプを用いる必要があり、コストが高い。
これに対し、本実施形態では、第１両回転ポンプ３および第２両回転ポンプ４の反シリンダ側ポート３２，４２が常に低圧に保たれる。従って、第１両回転ポンプ３および第２両回転ポンプ４として一般的なポンプを用いることができる。このような一般的な２つのポンプを用いた場合には、特殊なポンプとカウンターバランス弁を用いた液圧システム１００に比べてコストを低減することができる。
特に、本実施形態のように第１両回転ポンプ３および第２両回転ポンプ４のそれぞれの反シリンダ側ポート（３２または４２）がシリンダ側ポート（３１または４１）よりも大径であれば、反シリンダ側ポートと連通する各ポンプ内の通路はシリンダ側ポートと連通する通路と比較して低い圧力しか受けないので、高い圧力に耐えられる強度は不要となり、通路面積を大きく確保することができる。従って、作動液が通路を通過するときに発生する圧力損失を小さく抑えることができる。
さらに、本実施形態では、逆止弁６５が設けられた導入ライン６４および導出弁６７が設けられた導出ライン６６が採用されているので、第１両回転ポンプ３または第２両回転ポンプ４の吸入流量が不足すること、および中継ライン６３の圧力が高くなり過ぎることを防止することができる。
＜変形例＞
図３に示すように、第２両回転ポンプ４が一回転当りの吐出容量が任意に変更可能な可変容量型のポンプであり、第１両回転ポンプ３が一回転当りの吐出容量が変更不能な固定容量型のポンプであってもよい。あるいは、第２両回転ポンプ４が一回転当りの吐出容量が任意に変更可能な可変容量型のポンプである場合、第１両回転ポンプ３は、一回転当りの吐出容量が第１固定値ｑ１と第２固定値ｑ２のどちらかに選択的に切り換えられる可変容量型のポンプであってもよい。
または、第１両回転ポンプ３と第２両回転ポンプ４の双方が、一回転当りの吐出容量が任意に変更可能な可変容量型のポンプであってもよい。この構成によれば、第１両回転ポンプ３と第２両回転ポンプ４の一方が固定容量型のポンプまたは吐出容量切換式の可変容量型のポンプである場合に比べて、よりフレキシブルな流量制御を行うことができる。ただし、図１または図３に示すように第１両回転ポンプ３と第２両回転ポンプ４の一方が固定容量型のポンプまたは吐出容量切換式の可変容量型のポンプであれば、第１両回転ポンプ３と第２両回転ポンプ４の双方が一回転当りの吐出容量が任意に変更可能な可変容量型のポンプである場合に比べて、コストを低減することができる。
（第２実施形態）
図４に、本発明の第２実施形態に係る液圧システム１Ｂを示す。なお、本実施形態において、第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
本実施形態の液圧システム１Ｂでは、複数（図例では２つ）のシリンダ５が採用され、それらは両ロッドシリンダである。つまり、各シリンダ５のチューブ５５の両端は２つのロッドカバーによりが閉塞されており、それらのロッドカバーを２つのロッド５７がそれぞれ貫通している。
また、本実施形態では、全てのロッド５７が固定され、全てのシリンダ５のチューブ５５同士が可動テーブル１５で連結されている。そして、この可動テーブル１５の上面および下面に、移動物１０が取り付けられている。
このような構成でも、第１両回転ポンプ３と第２両回転ポンプ４の少なくとも一方が一回転当りの吐出容量が任意に変更可能な可変容量型のポンプであれば、第１実施形態と同様に、第１両回転ポンプ３と第２両回転ポンプ４の回転数比が一定（例えば、１：１以外の比）でも、第１両回転ポンプ３と第２両回転ポンプ４との吐出容量比を適切に設定することができる。さらに、第１両回転ポンプ３と第２両回転ポンプ４の少なくとも一方が可変容量型のポンプであることにより、二つの給排ライン６１，６２の圧縮性等による影響にも拘らず、圧力の高さの違いによりポンプ内部漏れ量が変化したとしても、給排ライン６１，６２のそれぞれの圧力をより適切に制御することができる。これにより、カウンターバランス弁を用いずにチューブ５５に対するロッド５７の相対移動に対して反力を与えることができる。その結果、シリンダ５の速度等を安定して制御することができる。
なお、移動物１０の下降時に、第２両回転ポンプ４によって移動物１０の位置エネルギを回転トルクの形で回収して、第１両回転ポンプ３の駆動をアシストすることができる点は、第１実施形態と同様である。
（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
１Ａ，１Ｂ 液圧システム
２ 電動モータ
３ 第１両回転ポンプ
４ 第２両回転ポンプ
５ シリンダ
５１ 第１圧力室
５２ 第２圧力室
５５ チューブ
５６ ピストン
６０ タンク
６１ 第１給排ライン
６２ 第２給排ライン
６３ 中継ライン
６４ 導入ライン
６５ 逆止弁
６６ 導出ライン
６７ 導出弁

Claims (7)

  1. チューブの内部がピストンによって第１圧力室と第２圧力室とに仕切られたシリンダと、
    第１給排ラインにより前記第１圧力室と接続された第１両回転ポンプと、
    第２給排ラインにより前記第２圧力室と接続されるとともに、前記第１両回転ポンプとトルク伝達可能に連結された第２両回転ポンプと、
    前記第１両回転ポンプと前記第２両回転ポンプの一方から排出された作動液を他方へ導くように前記第１両回転ポンプと前記第２両回転ポンプとを接続する中継ラインと、
    前記第１両回転ポンプまたは前記第２両回転ポンプを駆動する電動モータと、を備え、
    前記第１両回転ポンプと前記第２両回転ポンプの少なくとも一方は、一回転当りの吐出容量が任意に変更可能な可変容量型のポンプである、液圧システム。
  2. 前記第１両回転ポンプと前記第２両回転ポンプの一方は、一回転当りの吐出容量が任意に変更可能な可変容量型のポンプであり、
    前記第１両回転ポンプと前記第２両回転ポンプの他方は、一回転当りの吐出容量が変更不能な固定容量型のポンプであるか、一回転当りの吐出容量が第１固定値と第２固定値のどちらかに選択的に切り換えられる可変容量型のポンプである、請求項１に記載の液圧システム。
  3. 前記第１両回転ポンプと前記第２両回転ポンプの双方が、一回転当りの吐出容量が任意に変更可能な可変容量型のポンプである、請求項１に記載の液圧システム。
  4. 前記第１両回転ポンプは、シリンダ側ポートと、このシリンダ側ポートよりも大径の反シリンダ側ポートを含み、
    前記第２両回転ポンプは、シリンダ側ポートと、このシリンダ側ポートよりも大径の反シリンダ側ポートを含む、請求項１〜３の何れか一項に記載の液圧システム。
  5. 前記シリンダは、両ロッドシリンダである、請求項１〜４の何れか一項に記載の液圧システム。
  6. 前記シリンダは、片ロッドシリンダである、請求項１〜４の何れか一項に記載の液圧システム。
  7. 前記中継ラインとタンクとを接続する導入ラインと、
    前記導入ラインに設けられた、前記タンクから前記中継ラインに向かう流れは許容するがその逆の流れは禁止する逆止弁と、
    前記中継ラインとタンクとを接続する導出ラインと、
    前記導出ラインに設けられた、前記中継ラインの圧力が設定値よりも高くなったときに前記中継ラインから前記タンクへ向かう流れを許容する導出弁と、
    をさらに備える、請求項１〜６の何れか一項に記載の液圧システム。
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