JP7324655B2 - 建設機械の油圧システム - Google Patents

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Description

本発明は、建設機械の油圧システムに関する。
油圧ショベルや油圧クレーンのような建設機械に搭載される油圧システムでは、主ポンプと複数の油圧アクチュエータとの間に複数の制御弁が介在する。各制御弁は、対応する油圧アクチュエータに対する作動油の供給および排出を制御する。
一般的に、各制御弁は、ハウジング内に配置されたスプールと、スプールを作動させるための一対のパイロットポートを有する。各制御弁を作動させるための操作装置として電気信号を出力する操作装置が用いられる場合、制御弁の各パイロットポートには電磁比例弁が接続され、この電磁比例弁により制御弁が駆動される。
例えば、特許文献1には、制御弁駆動用の電磁比例弁が故障したときに、制御弁を中立位置へ戻すための構成が開示されている。この構成では、副ポンプと制御弁駆動用の電磁比例弁との間に電磁切換弁を介在させ、制御弁駆動用の電磁比例弁が故障したときに、電磁切換弁を開位置から閉位置に切り換えて副ポンプから電磁比例弁への作動油の供給を停止する。すなわち、制御弁駆動用の電磁比例弁が故障したときには、操縦者が操作装置を操作しても制御弁が中立位置に維持され、操作装置に対する操作が無効とされる。
特開2017-110672号公報
しかしながら、特許文献1に開示された構成では、操作装置に対する操作を無効とするための専用の電磁弁が必要である。
そこで、本発明は、操作装置に対する操作を無効とするための専用の電磁弁を用いることなく、操作装置に対する操作を無効とすることができる建設機械の油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、本発明の発明者は、建設機械の油圧システムの中には、可変容量型の主ポンプの容量が電磁比例弁によって変更されるように構成されたものがあることに着目し、その電磁比例弁を操作装置に対する操作を無効とするために利用できるのではないかと考えた。本発明は、このような観点から成されたものである。
すなわち、本発明の建設機械の油圧システムは、可変容量型の主ポンプと、前記主ポンプと複数の油圧アクチュエータとの間に介在する、パイロットポートを有する複数の制御弁と、前記複数の制御弁のパイロットポートとそれぞれ接続された複数の第1電磁比例弁と、前記複数の制御弁を作動させるための、操作量に応じた電気信号を出力する複数の操作装置と、前記複数の操作装置から出力される電気信号に基づいて前記複数の第1電磁比例弁を制御する制御装置と、信号圧に基づいて前記主ポンプの容量を変更するレギュレータと、二次圧ラインを通じて前記レギュレータへ前記信号圧として二次圧を出力する、一次圧ラインにより副ポンプと接続された第2電磁比例弁と、前記副ポンプと前記複数の第1電磁比例弁との間に介在する切換弁であって、パイロットラインにより前記二次圧ラインと接続されたパイロットポートを有し、このパイロットポートに導かれるパイロット圧に応じて閉位置と開位置との間で切り換わる切換弁と、を備える、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、第2電磁比例弁の二次圧によって、副ポンプと第1電磁比例弁との間に介在する切換弁を閉位置に切り換えるか開位置に切り換えるか、換言すれば操作装置に対する操作を無効とするか有効とするかを切り換えることができる。また、第2電磁比例弁の二次圧によって、主ポンプの容量を変更することができる。すなわち、1つの第2電磁比例弁に2つの機能を具備させることができる。従って、操作装置に対する操作を無効とするための専用の電磁弁が不要である。
例えば、前記レギュレータは、前記信号圧が高くなるほど前記主ポンプの容量が増加するように構成されており、前記切換弁は、当該切換弁のパイロットポートに導かれるパイロット圧が設定値以上となったときに閉位置から開位置に切り換わってもよい。
上記の油圧システムは、前記複数の操作装置に対する操作を無効とする操作ロックの選択、または前記複数の操作装置に対する操作を有効とする操作ロック解除の選択を受け付ける選択装置をさらに備え、前記制御装置は、前記選択装置が操作ロックの選択を受け付けている間は前記第2電磁比例弁の二次圧が前記設定値よりも低くなり、前記選択装置が操作ロック解除の選択を受け付けている間は前記第2電磁比例弁の二次圧が前記設定値よりも高くなるように前記第2電磁比例弁を制御してもよい。この構成によれば、操縦者が選択装置で操作ロックを選択すれば操作装置に対する操作が無効となり、操作ロック解除を選択すれば操作装置に対する操作が有効となる。
前記設定値は第1設定値であり、前記レギュレータは、前記信号圧が第2設定値以下では前記主ポンプの容量が最小に維持されるように構成されており、前記第1設定値は前記第2設定値よりも小さくてもよい。この構成によれば、主ポンプの容量が最小に維持されている間に切換弁を閉位置から開位置に切り換えることができる。
前記主ポンプ、前記副ポンプ、前記レギュレータおよび前記第2電磁比例弁は、ポンプユニットとして一体的に構成されており、前記切換弁は、当該切換弁と前記副ポンプとを接続するポンプラインの一部を構成する配管、および前記パイロットラインの一部を構成する配管によって前記ポンプユニットと接続されてもよい。この構成によれば、建設機械における切換弁の配置位置を比較的に自由に決定することができる。
前記主ポンプ、前記副ポンプ、前記レギュレータ、前記第2電磁比例弁および前記切換弁は、ポンプユニットとして一体的に構成されてもよい。この構成によれば、ポンプユニットから延びる第1電磁比例弁用の配管は1本だけでよい。
本発明によれば、操作装置に対する操作を無効とするための専用の電磁弁を用いることなく、操作装置に対する操作を無効とすることができる。
本発明の一実施形態に係る建設機械の油圧システムの概略構成図である。 建設機械の一例である油圧ショベルの側面図である。 (a)は第2電磁比例弁の指令電流と二次圧の関係を示すグラフ、(b)は第2電磁指令弁への指令電流と主ポンプの容量との関係を示すグラフである。
図1に、本発明の一実施形態に係る建設機械の油圧システム1を示し、図2に、その油圧システム1が搭載された建設機械10を示す。図2に示す建設機械10は油圧ショベルであるが、本発明は油圧クレーンなどの他の建設機械にも適用可能である。
図2に示す建設機械10は自走式であり、走行体11を含む。また、建設機械10は、走行体11に旋回可能に支持された旋回体12と、旋回体12に対して俯仰するブームを含む。ブームの先端には、アームが揺動可能に連結されており、アームの先端には、バケットが揺動可能に連結されている。旋回体12には、運転席が設置されたキャビン16が設けられている。なお、建設機械10は自走式でなくてもよい。
油圧システム1は、油圧アクチュエータ20として、図2に示すブームシリンダ13、アームシリンダ14およびバケットシリンダ15を含むとともに、図示しない左右一対の走行モータおよび旋回モータを含む。ブームシリンダ13はブームを俯仰させ、アームシリンダ14はアームを揺動させ、バケットシリンダ15はバケットを揺動させる。
また、油圧システム1は、図1に示すように、上述した油圧アクチュエータ20へ作動油を供給する主ポンプ22を含む。なお、図1では、図面の簡略化のために、油圧アクチュエータ20を省略している。
主ポンプ22は、エンジン21により駆動される。ただし、主ポンプ22は電動機によって駆動されてもよい。また、エンジン21は、副ポンプ23も駆動する。主ポンプ22は、複数設けられてもよい。
主ポンプ22は、一回転あたりの吐出量である容量が変更可能な可変容量型のポンプである。主ポンプ22の吐出容量は、電気ポジティブコントロール方式で制御されてもよいし、油圧ネガティブコントロール方式で制御されてもよい。あるいは、主ポンプ22の吐出流量(単位時間あたりの吐出量)がロードセンシング方式で制御されてもよい。本実施形態では、主ポンプ22が斜板22aを有する斜板ポンプであるが、主ポンプ22は斜軸ポンプであってもよい。
主ポンプ22の容量(吐出流量)は、レギュレータ9により変更される。レギュレータ9には信号圧が供給され、レギュレータ9は、その信号圧に基づいて主ポンプ22の容量を変更する。本実施形態では、レギュレータ9が、信号圧が高くなるほど主ポンプ22の容量が増加するように構成されている。
より詳しくは、レギュレータ9は、主ポンプ22の斜板22aと連結されたサーボピストン91と、サーボピストン91を駆動するための調整弁92を含む。レギュレータ9には、主ポンプ22の吐出圧が導入される第1受圧室9aと、制御圧が導入される第2受圧室9bが形成されている。サーボピストン91は、第1端部と、第1端部よりも大径の第2端部を有している。第1端部は第1受圧室9aに露出しており、第2端部は第2受圧室9bに露出している。
調整弁92は、第2受圧室9bに導入される制御圧を調整するためのものである。具体的に、調整弁92は、制御圧を低下させる方向(容量増加方向、図1では左向き)および制御圧を上昇させる方向(容量減少方向、図1では右向き)に移動するスプール93と、スプール93を収容するスリーブ94を含む。スプール93は、流量制御ピストン96に押圧されて容量増加方向に移動し、流量制御ピストン96と反対側に配置されたスプリング95の付勢力によって容量減少方向に移動する。
スリーブ94は、フィードバックレバー97によりサーボピストン91と連結されている。スリーブ94には、ポンプポート、タンクポートおよび出力ポート(出力ポートは第2受圧室9bと連通する)が形成されており、スリーブ94とスプール93との相対位置によって、出力ポートがポンプポートおよびタンクポートの双方から遮断されるか、出力ポートがポンプポートおよびタンクポートのどちらかと連通される。そして、スプール93が流量制御ピストン96によって容量増加方向または容量減少方向に移動されると、サーボピストン91の両側から作用する力(圧力×サーボピストン受圧面積)が釣り合うようにスプール93とスリーブ94との相対位置が定まり、制御圧が調整される。
さらに、レギュレータ9には、流量制御ピストン96に上述した信号圧を作用させる作動室9cが形成されている。つまり、流量制御ピストン96は、信号圧が高くなるほどスプール93を容量増加方向に移動させる。
図3(a)および(b)に示すように、レギュレータ9は、信号圧が設定値β(本発明の第2設定値に相当)以下では主ポンプ22の容量が最小に維持され、信号圧が設定値γ以上では主ポンプ22の容量が最大に維持されるように構成されている。信号圧が設定値βと設定値γの間のとき、主ポンプ22の容量は信号圧に応じて変化する。
図1に戻って、主ポンプ22と油圧アクチュエータ20との間には、複数の制御弁41が介在する。本実施形態では、全ての制御弁41が3位置弁であるが、制御弁41のうちの1つ又はいくつかは2位置弁であってもよい。
全ての制御弁41は、供給ライン31により主ポンプ22と接続されるとともに、タンクライン33によりタンクと接続されている。また、各制御弁41は、対応する油圧アクチュエータ20と一対の給排ラインにより接続されている。なお、主ポンプ22が複数設けられる場合、制御弁41も主ポンプ22と同数のグループに分けられ、それらのグループごとに制御弁41が供給ライン31により主ポンプ22と接続される。
例えば、制御弁41は、ブームシリンダ13に対する作業油の供給および排出を制御するブーム制御弁と、アームシリンダ14に対する作業油の供給および排出を制御するアーム制御弁と、バケットシリンダ15に対する作業油の供給および排出を制御するバケット制御弁を含む。
供給ライン31は、主ポンプ22から延びる主流路と、主流路から分岐して制御弁41へつながる複数の分岐路を含む。本実施形態では、供給ライン31の主流路からセンターバイパスライン32が分岐しており、このセンターバイパスライン32がタンクまで延びている。そして、センターバイパスライン32上に制御弁41が配置されている。ただし、センターバイパスライン32は省略されてもよい。
また、供給ライン31の主流路からはリリーフライン34が分岐しており、このリリーフライン34に主ポンプ22用のリリーフ弁35が設けられている。なお、リリーフライン34は、全ての制御弁41の上流側でセンターバイパスライン32から分岐してもよい。あるいは、リリーフライン34は、特定の制御弁41の間でセンターバイパスライン32から分岐してもよい。
各制御弁41は、ハウジング内に配置されたスプールと、スプールを作動させるための一対のパイロットポートを有する。例えば、全ての制御弁41のハウジングが一体となってマルチ制御弁ユニットが構成されてもよい。全ての制御弁41のパイロットポートは、パイロットライン42により複数の第1電磁比例弁43とそれぞれ接続されている。
各第1電磁比例弁43は、指令電流と二次圧が正の相関を示す正比例型である。ただし、各第1電磁比例弁43は、指令電流と二次圧が負の相関を示す逆比例型であってもよい。
全ての第1電磁比例弁43は、分配ライン53により切換弁52と接続されている。分配ライン53は、切換弁52から延びる主流路と、主流路から分岐して第1電磁比例弁43へつながる複数の分岐路を含む。
切換弁52は、ポンプライン51により副ポンプ23と接続されている。ポンプライン51からはリリーフライン54が分岐しており、このリリーフライン54に副ポンプ23用のリリーフ弁55が設けられている。リリーフ弁55のリリーフ圧は、制御弁41のスプールがストロークエンドまで動くことができるように十分に高く設定されている(例えば、4MPa)。また、リリーフ弁55のリリーフ圧は、レギュレータ9の設定値γ(主ポンプ22の容量が最大となる信号圧)よりもある程度高い。
副ポンプ23と全ての第1電磁比例弁43との間に介在する切換弁52は、パイロットポートを有し、このパイロットポートに導かれるパイロット圧に応じて閉位置と開位置との間で切り換わる。本実施形態では、閉位置が中立位置である。すなわち、切換弁52は、パイロット圧が設定値α(本発明の第1設定値に相当)以上となったときに閉位置から開位置に切り換わる。
切換弁52は、閉位置ではポンプライン51を遮断するとともに分配ライン53をタンクと連通させ、開位置ではポンプライン51を分配ライン53と連通させる。換言すれば、切換弁52が閉位置に維持された状態では、副ポンプ23から第1電磁比例弁43への作動油の供給が停止されるとともに第1電磁比例弁43の一次圧がゼロとなり、第1電磁比例弁43に電流を送給しても制御弁41は作動しない。
図3(a)に示すように、切換弁52の設定値αは、主ポンプ22の容量が最小となる設定値βよりも低く設定されることが望ましい。主ポンプ22の容量が最小に維持されている間に切換弁52を閉位置から開位置に切り換えることができるからである。例えば、設定値αは0.1~0.6MPaであり、設定値βは0.7~1.0MPaである。
副ポンプ23は、一次圧ライン61により第2電磁比例弁62とも接続されており、第2電磁比例弁62は二次圧ライン63によりレギュレータ9の作動室9cと接続されている。つまり、第2電磁比例弁62は、二次圧ライン63を通じてレギュレータ9へ上述した信号圧として二次圧を出力する。一次圧ライン61とポンプライン51の上流側部分は互いに合流して共通の流路となっている。
本実施形態では、第2電磁比例弁62が、指令電流と二次圧が正の相関を示す正比例型である。切換弁52のパイロットポートは、パイロットライン64により二次圧ライン63と接続されている。
上述したキャビン16内には、制御弁41を作動させるための複数の操作装置44が配置されている。各操作装置44は、対応する油圧アクチュエータ20を可動させるための操作を受ける操作部(操作レバーまたはフットペダル)を含み、操作部の操作量(例えば、操作レバーの傾倒角)に応じた電気信号を出力する。
例えば、操作装置44は、操作レバーを含むブーム操作装置、アーム操作装置およびバケット操作装置を含む。ブーム操作装置の操作レバーはブーム上げ操作およびブーム下げ操作を受け、アーム操作装置の操作レバーはアーム引き操作およびアーム押し操作を受け、バケット操作装置の操作レバーはバケット掘削操作およびバケットダンプ操作を受ける。例えば、ブーム操作装置は、操作レバーがブーム上げ方向に傾倒されたときに、操作レバーの傾倒角に応じた大きさのブーム上げ電気信号を出力する。
各操作装置44から出力される電気信号は制御装置7へ入力される。例えば、制御装置7は、ROMやRAMなどのメモリと、HDDなどのストレージと、CPUを有するコンピュータであり、ROMまたはHDDに記憶されたプログラムがCPUにより実行される。
制御装置7は、操作装置44から出力される電気信号に基づいて第1電磁比例弁43を制御する。ただし、図1では、図面の簡略化のために一部の信号線のみを描いている。例えば、制御装置7は、ブーム操作装置からブーム上げ電気信号が出力されるときは、ブーム制御弁のブーム上げ用パイロットポートと接続された第1電磁比例弁43へ指令電流を送給し、その指令電流をブーム上げ電気信号が大きくなるほど大きくする。
また、制御装置7は、各操作装置44の操作量が大きくなるほど第2電磁比例弁62の二次圧が大きくなるように第2電磁比例弁62を制御する。これにより、各操作装置44の操作量が大きくなるほど、主ポンプ22の容量(吐出流量)が増加する。
キャビン16内には、操縦者が全ての操作装置44に対する操作を無効とするか有効とするかを選択するための選択装置8も配置されている。選択装置8は、操作装置44に対する操作を無効とする操作ロックの選択、または操作装置44に対する操作を有効とする操作ロック解除の選択を受け付ける。
例えば、選択装置8は、安全レバーの移動または揺動により操作ロックか操作ロック解除かを選択可能なマイクロスイッチやリミットスイッチであってもよい。あるいは、選択装置8は、ボタンを押すか否かで操作ロックか操作ロック解除かを選択可能な押しボタンスイッチであってもよい。
制御装置7は、選択装置8での選択状況により、第2電磁比例弁62を次のように制御する。
選択装置8が操作ロックの選択を受け付けている間は、制御装置7は、図3(a)に示すように、第2電磁比例弁62の二次圧が切換弁52の設定値αよりも低くなるように第2電磁比例弁62を制御する。これにより、主ポンプ22の容量が最小に維持されるとともに、切換弁52が閉位置に維持される。このとき、制御装置7は第2電磁比例弁62へ指令電流を送給しなくてもよいし、設定値αに対応する電流値よりも低い指令電流を第2電磁比例弁62へ送給してもよい。
一方、選択装置8が操作ロック解除の選択を受け付けている間は、制御装置7は第2電磁比例弁62の二次圧が切換弁52の設定値αよりも高くなるように第2電磁比例弁62を制御する。これにより、切換弁52が開位置に切り換えられる。
上述したように、選択装置8が操作ロック解除の選択を受け付けている間は、第2電磁比例弁62の二次圧は各操作装置44の操作量が大きくなるほどが大きくなる。すなわち、制御装置7は、操作装置44のいずれもが操作されていないときは、指令電流として待機電流を第2電磁比例弁62へ送給し、第2電磁比例弁62の二次圧を切換弁52の設定値αよりも高い所定値εに維持する。切換弁52の設定値αがレギュレータ9の設定値βよりも小さい場合は所定値εが設定値β以下であり、切換弁52の設定値αがレギュレータ9の設定値βよりも大きい場合は所定値εが設定値αに近い値である。このため、主ポンプ22の容量は、最小または最小近傍に維持される。
そして、選択装置8が操作ロック解除の選択を受け付けている間、操作装置44のいずれかが操作されたときには、第2電磁比例弁62の二次圧が所定値εよりも大きくされる。このように、選択装置8が操作ロック解除の選択を受け付けている間は、第2電磁比例弁62の二次圧は、操作装置44の操作量に応じて所定値εと最大値の間で変化する。
以上説明したように、本実施形態の油圧システム1では、第2電磁比例弁62の二次圧によって、副ポンプ23と第1電磁比例弁43との間に介在する切換弁52を閉位置に切り換えるか開位置に切り換えるか、換言すれば操作装置44に対する操作を無効とするか有効とするかを切り換えることができる。また、第2電磁比例弁62の二次圧によって、主ポンプ22の容量を変更することができる。すなわち、1つの第2電磁比例弁62に2つの機能を具備させることができる。従って、操作装置44に対する操作を無効とするための専用の電磁弁が不要である。
また、本実施形態では選択装置8が設けられているので、操縦者が選択装置8で操作ロックを選択すれば操作装置44に対する操作が無効となり、操作ロック解除を選択すれば操作装置44に対する操作が有効となる。
ところで、主ポンプ22、副ポンプ23、レギュレータ9および第2電磁比例弁62は、一般的に、ポンプユニットとして一体的に構成される。このため、切換弁52は、そのポンプユニットと、ポンプライン51の一部を構成する配管およびパイロットライン64の一部を構成する配管によって接続されてもよい。この構成によれば、建設機械における切換弁52の配置位置を比較的に自由に決定することができる。
あるいは、切換弁52は、ポンプユニットとして、主ポンプ22、副ポンプ23、レギュレータ9および第2電磁比例弁62と一体的に構成されてもよい。切換弁52をポンプユニットと別体とした場合は、第1電磁比例弁43用の配管としてポンプユニットから2本(タンク配管を除いて)の配管を延ばす必要がある。これに対し、切換弁52をポンプユニットに組み込んだ場合は、ポンプユニットから延びる第1電磁比例弁43用の配管は(タンク配管を除いて)1本だけでよい。
(変形例)
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。
例えば、レギュレータ9は、前記実施形態とは逆に、信号圧が高くなるほど主ポンプ22の容量が減少するように構成されてもよい。この場合、切換弁52は、パイロット圧が比較的に高い設定値以上となったときに開位置から閉位置に切り換わるように構成される。レギュレータ9が前記実施形態と逆に構成される場合は、第2電磁比例弁62は正比例型であっても逆比例型であってもよい。
1 油圧システム
20 油圧アクチュエータ
22 主ポンプ
23 副ポンプ
41 制御弁
43 第1電磁比例弁
44 操作装置
51 ポンプライン
52 切換弁
61 一次圧ライン
62 第2電磁比例弁
63 二次圧ライン
64 パイロットライン
7 制御装置
8 選択装置
9 レギュレータ

Claims (6)

  1. 可変容量型の主ポンプと、
    前記主ポンプと複数の油圧アクチュエータとの間に介在する、パイロットポートを有する複数の制御弁と、
    前記複数の制御弁のパイロットポートとそれぞれ接続された複数の第1電磁比例弁と、
    前記複数の制御弁を作動させるための、操作量に応じた電気信号を出力する複数の操作装置と、
    前記複数の操作装置から出力される電気信号に基づいて前記複数の第1電磁比例弁を制御する制御装置と、
    信号圧に基づいて前記主ポンプの容量を変更するレギュレータと、
    二次圧ラインを通じて前記レギュレータへ前記信号圧として二次圧を出力する、一次圧ラインにより副ポンプと接続された第2電磁比例弁と、
    前記副ポンプと前記複数の第1電磁比例弁との間に介在する切換弁であって、パイロットラインにより前記二次圧ラインと接続されたパイロットポートを有し、このパイロットポートに導かれるパイロット圧に応じて閉位置と開位置との間で切り換わる切換弁と、
    を備える、建設機械の油圧システム。
  2. 前記レギュレータは、前記信号圧が高くなるほど前記主ポンプの容量が増加するように構成されており、
    前記切換弁は、当該切換弁のパイロットポートに導かれるパイロット圧が設定値以上となったときに閉位置から開位置に切り換わる、請求項1に記載の建設機械の油圧システム。
  3. 前記複数の操作装置に対する操作を無効とする操作ロックの選択、または前記複数の操作装置に対する操作を有効とする操作ロック解除の選択を受け付ける選択装置をさらに備え、
    前記制御装置は、前記選択装置が操作ロックの選択を受け付けている間は前記第2電磁比例弁の二次圧が前記設定値よりも低くなり、前記選択装置が操作ロック解除の選択を受け付けている間は前記第2電磁比例弁の二次圧が前記設定値よりも高くなるように前記第2電磁比例弁を制御する、請求項2に記載の建設機械の油圧システム。
  4. 前記設定値は第1設定値であり、
    前記レギュレータは、前記信号圧が第2設定値以下では前記主ポンプの容量が最小に維持されるように構成されており、
    前記第1設定値は前記第2設定値よりも小さい、請求項2または3に記載の建設機械の油圧システム。
  5. 前記主ポンプ、前記副ポンプ、前記レギュレータおよび前記第2電磁比例弁は、ポンプユニットとして一体的に構成されており、
    前記切換弁は、当該切換弁と前記副ポンプとを接続するポンプラインの一部を構成する配管、および前記パイロットラインの一部を構成する配管によって前記ポンプユニットと接続されている、請求項1~4の何れか一項に記載の建設機械の油圧システム。
  6. 前記主ポンプ、前記副ポンプ、前記レギュレータ、前記第2電磁比例弁および前記切換弁は、ポンプユニットとして一体的に構成されている、請求項1~4の何れか一項に記載の建設機械の油圧システム。
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