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CN204163867U - 驱动系统及具有该驱动系统的移动工具、车辆、固定工作系统 - Google Patents

驱动系统及具有该驱动系统的移动工具、车辆、固定工作系统 Download PDF

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CN204163867U CN201420175677.4U CN201420175677U CN204163867U CN 204163867 U CN204163867 U CN 204163867U CN 201420175677 U CN201420175677 U CN 201420175677U CN 204163867 U CN204163867 U CN 204163867U
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波兹德·西巴
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Abstract

一种具有内燃机（1）的驱动系统，所述驱动系统驱动液压系统(5)和/或包括致动所述内燃机(1)的控制器，这样使得所述内燃机通过瞬态负载力矩以恒定设置速度进行操作，其中所述驱动系统包括飞轮累积器(8)，所述飞轮累积器(8)经由增速齿轮单元(7)与所述内燃机(1)的输出轴(2)连接。所述驱动系统包括飞轮累积器（8），其中所述飞轮累积器（8）经由增速齿轮单元（7）与所述内燃机（1）的输出轴（2）连接。

Description

驱动系统及具有该驱动系统的移动工具、车辆、固定工作系统
技术领域
本发明涉及一种具有内燃发动机的驱动系统，其驱动液压系统，和/或包括致动所述内燃发动机的控制器，以通过瞬态负载力矩使内燃发动机以恒定设置速度工作。 
背景技术
具体来说，在用于驱动液压系统的驱动系统中，内燃机通常以恒定设置速度工作，而对工具的控制则是通过所述液压系统的致动来实现。这产生了内燃发动机的瞬态负载力矩，其是通过转矩的相应增大而提供的。 
对于驱动系统的高系统效率来说，决定性的是内燃机工作于能量上较佳的工作点上。然而，能量上最佳的速度通常低于可以涵盖所需要的最大性能的最小速度。另外，内燃机必须运行以使得可以涵盖所需要的功率动态变化，即功率增长的高度和可以在其内实现这个增长的时间间隔。为此目的所必需的运行速度又通常大于可以涵盖所需要的最大性能的速度，并且因此明显地高于能量上最佳的速度。 
结果是：在高百分比的时间里，内燃机不得不以较低效率运行，以使得动态储备(dynamic reserve)在任何时候都足够高。 
当选择的输出速度太低时，会出现两个对足够高的输出功率，即想要达到的性能起到减慢作用的结果。一方面，输出转矩的时间延迟增大，这样使得负载力矩频繁地上升,比可获得的转矩要快的多。这导致所不希望的速度减小。然而，因此必须给内燃机施加更大的输出功率以从再次小于起动速度的速度开始前进，这又再一次导致转矩增大的延迟。 
已知将飞轮累积器(flywheel accumulator)布置在内燃机的输出轴处，所述飞轮累积器的能含量导致部分地补偿速度的下降。 
然而当操作速度减小以提高能量效率时，取决于速度的平方的飞轮累 积器的能含量也因此降低。因此，操作速度越低，经由飞轮累积器通过瞬态负载力矩对速度下降的补偿越差。 
因此，本发明的目的在于提供一种不受低操作速度影响而提供高转矩动态变化的驱动系统。 
发明内容
根据本发明，这个目的通过根据权利要求1的驱动系统来解决。 
本发明提供一种具有驱动液压系统的内燃机的驱动系统。替代地或另外，内燃机可以包括致动内燃机的控制器，这样使得内燃机通过瞬态负载力矩以恒定设置速度进行操作。此外，根据本发明的驱动系统包括飞轮累积器。根据本发明的设置，飞轮累积器经由增速齿轮单元与内燃机的输出轴连接。 
由于根据本发明的快速运行的飞轮累积器，避免了常规飞轮累积器中关于操作速度的降低所出现的上述问题。具体来说，可以容易地降低(如通过增速比的对应选择)操作速度，不过却可以将相应地高的转动能存储在飞轮累积器中。与增大布置在传动系中的飞轮累积器的质量惯性矩的增大相比，这还具有以下优点：可以显著较小的安装空间和较低的重量来实现相同的转动能。 
根据本发明的驱动系统的内燃机优选地是内燃发动机。具体来说，这可以是柴油发动机。 
优选地，根据本发明的内燃机的设置速度介于每分钟1000与2000转之间。具体地，设置速度可以介于每分钟1300与1800转之间。优选地，使用根据本发明的快速运行的飞轮累积器提供与常规驱动器相比降低了每分钟100至500转、优选地降低了每分钟200至400转的设置速度。特别优选地，每分钟1800转的常规设置速度下降至介于每分钟1300与1600转之间的范围，具体地，下降至介于每分钟1400与1500转之间的范围是可能的。 
优选地，使用所具有的最大速度介于1800与2500转之间、优选地介于每分钟1800与2200转之间、特别优选地介于每分钟1800与2000转之 间的内燃机。 
在优选示例性实施例中，根据本发明的驱动轴的速度与飞轮累积器的速度之间的增速比可以介于5与15之间。特别优选地，以介于6与12之间的增速比来操作飞轮累积器。 
在一个示例性实施例中，飞轮的质量可以介于5与50kg之间，优选介于10与30kg之间。 
此外，飞轮累积器的惯性矩可以介于0.05与0.5kg*m2之间，优选介于0.1与0.2kg*m2之间。 
如以上已经解释，飞轮累积器具体地应当用于在负载力矩的增大期间防止实际速度的下降，或用于在低设置速度时也提供足够的转矩动态储备。 
在第一设计变体中，飞轮累积器恒定地与内燃机的输出轴连接。通过将飞轮累积器稳固地联接至输出轴，确保当负载力矩突然上升时，飞轮累积器的能含量实际上也是可供使用的。 
然而，替代地，飞轮累积器还可以经由离合器(其在闭合时具有小于100ms的反应时间)与内燃机的输出轴连接。离合器可以被致动以使得在负载力矩上升时，所述离合器将飞轮累积器与输出轴连接。由于快速的反应时间，确保飞轮累积器的能含量足够快速地可供使用。优选地，离合器具有小于50ms、进一步优选地小于20ms的反应时间。 
这样的离合器允许更灵活地使用飞轮累积器，但也意味着增大费用。 
根据本发明的一个实施例，飞轮累积器可以经由传动装置与内燃机的输出轴连接。具体来说，这可以是齿轮传动装置，具体是行星齿轮传动装置。作为传动装置，还可以使用具有对应增速比的皮带或链传动器。 
内燃机可以驱动一个或多个液压传动器。 
此外，可以存在其他传动器，例如像发电机、循环泵、风扇和/或压缩机。 
在传动系处，还可以提供向驱动系统供应功率或从驱动系统收回功率的机电泵(e-machine)和/或液压泵，以便向能量累积器供应功率或向其他功率消耗者提供功率。 
传动器可以直接与内燃机的曲轴联接或通过增速齿轮单元与所述曲轴联接。具体来说，可以提供任意传动装置、转矩变换器、离合器、环或链输出。增速齿轮单元可以用于单个从动部件或也可用于若干从动部件。 
一定数量的上述从动部件和现有增速齿轮单元的一次侧可以直接沿内燃机的曲轴布置。此外，可以将增速齿轮单元级联到多级增速齿轮单元。 
本发明的驱动系统还可以包括传动齿轮，内燃机经由传动齿轮与多个负载连接。 
飞轮累积器可以在位于内燃机与传动齿轮之间的一点处与内燃机的输出轴连接，或与传动齿轮的输出端连接。 
在另一实施例中，飞轮累积器可集成到内燃机的传动齿轮中。这样，可以节省安装空间。 
根据本发明，液压系统还可以包括控制器，所述控制器致动所述液压系统的功率消耗和/或功率输出。具体来说，可以通过致动可变排量泵和/或可变排量马达来实现液压系统的致动。替代地或另外，也可以通过致动一个或多个阀来实现液压系统的致动。 
根据本发明的液压系统具体可以是工作液压器和/或牵引液压器。 
如以上已经解释，内燃机优选地在操作速度n3下进行操作，这与根据本发明的飞轮累积器一起能够涵盖所需要的功率动态变化，即功率增大的高度和时间间隔(必须在所述时间间隔内实现这个增大)。因为在较低和中等速度范围中，内燃机的功率动态变化随起动速度的增大而上升，所以操作速度n3一般大于操作速度n2，该操作速度n2表示可以涵盖所需最大性能的最小速度。当内燃机的可供使用的功率至少大致在应用期间被利用时，这个速度n2大于能量上最佳的速度n1，在所述能量上最佳的速度n1处，内燃机在其能量上最有利的操作点下进行操作。 
由于根据本发明所提供的快速运行的飞轮累积器，因为飞轮累积器提供足够高的动态储备或补偿动态储备的减少，所以与已知驱动系统相比仍可以减小用作用于致动内燃机的设置速度的操作速度n3。 
有利的是，设置速度至少在其中负载力矩上升又下降的通常的操作周期内是恒定的。因此，瞬态负载力矩不是通过改变设置速度、而是通过调 节内燃机的转矩来补偿。 
根据本发明，驱动系统的控制器优选地装备成使得设置速度可调整以用于调整动态储备。因此，当操作者希望较高动态储备时，可以增大设置速度(通过降低能量效率)。 
由驱动系统驱动的工具的致动优选地并不是通过内燃机的直接致动、而是通过下游液压系统的致动来实现。具体来说，优选地将操作者的控制信号转换成用于致动液压系统的控制信号。这可使得作用于内燃机的负载力矩相应地增大，所述内燃机在恒定设置速度下增大输出转矩，以便能够提供所需要的输出功率。 
除了根据本发明的驱动系统之外，本发明还包括一种用于操作驱动系统的方法，所述驱动系统具有内燃机并且具有飞轮累积器，所述飞轮累积器经由增速齿轮单元与所述内燃机的输出轴连接。根据本发明，内燃机被致动成使得所述内燃机通过瞬态负载力矩以恒定设置速度进行操作。替代地或另外，内燃机驱动液压系统。 
优选地，根据本发明的方法如以上已经关于根据本发明的驱动系统所描述的来实现。 
在优选实施例中，根据本发明的方法用于操作如以上已经描述的驱动系统。 
本发明还包括一种具有如以上已经描述的驱动系统的移动工具和/或车辆。所述驱动系统例如可以用于驱动移动齿轮和/或用于驱动工作设备。 
特别优选地，驱动系统驱动液压系统的至少一个液压泵。优选地，液压系统用于驱动工作设备和/或用于驱动移动工具和/或车辆的移动齿轮。 
优选地，工作设备和/或移动齿轮由操作者通过致动液压系统来致动。优选地，驱动系统的致动如以上已经描述的来实现。 
而且优选地，驱动系统如以上已经描述的来构造。 
应用的一个优选例子是具有底架和围绕竖直转动轴线布置在所述底架上的上架的移动工具和/或车辆。具体来说，这可以是掘土机和/或开料机，具体地是起重机或挖掘机。 
当使用特别快速运行的飞轮累积器时，必须将在上架的转动期间作用 于飞轮累积器的旋进(precession)考虑在内。所述旋进可能导致不想要的力作用于所涉及的部件。 
在优选实施例中，飞轮累积器的轴线因此被布置成平行于上架的转动轴线。因此，上架的转动不会导致飞轮累积器的轴线的转动，这样使得没有旋进力起作用。 
替代地或另外，还有可能提供具有相反转动轴线的两个飞轮累积器。具体来说，转动轴线可以被布置成彼此平行并且飞轮累积器可在相反方向上转动。结果，在上架的转动期间，飞轮累积器上的旋进力至少部分地彼此抵消。优选地，两个转动轴线被布置成离上架的转动轴线具有大致相同的距离。 
然而，本发明的驱动系统可以用于固定应用中。因此，本发明还包括具有根据本发明的驱动系统的固定工作系统。 
在本发明的一个可能实施例中，驱动系统用于驱动发电机和/或液压供应系统。 
附图说明
现在将参照示例性实施例和附图详细地解释本发明，在附图中： 
图1：示出具有快速运行的飞轮累积器的根据本发明的驱动系统的示例性实施例，并且 
图2：示出具有根据本发明的驱动系统的根据本发明的移动工具的示例性实施例。 
具体实施方式
图1示出根据本发明的驱动系统的示例性实施例。提供了驱动任意数量的输出5a至5n的内燃机1，所述内燃机在示例性实施例中是柴油发动机。具体来说，输出5a至5n中的一个或多个是液压输出。具体来说，这可以是液压系统，其包括至少一个液压泵和由该液压泵驱动的至少一个液压马达或液压致动器。 
在示例性实施例中，液压系统5a驱动工作设备6。除了液压输出之外， 还可以存在其他输出，例如像发电机、循环泵、风扇和/或压缩机。在传动系处，还可以存在可向驱动系统供应功率或从驱动系统收回功率的机电泵和/或液压泵，以便向能量累积器供应功率或向其他功率消耗者提供功率。 
上述输出5a至5n可以与内燃机的曲轴2直接联接。然而，在示例性实施例中，提供将输出5a至5n与内燃机的曲轴2机械地联接的传动齿轮4。传动齿轮4各自可以针对个别输出端提供增速比或减速比。替代地或另外，可以提供一个或多个转矩变换器、离合器和/或皮带输出端或链输出端以用于将输出联接至曲轴。 
增速齿轮单元可以用于单个从动部件或也用于若干从动部件。此外，一定数量的从动部件和现有增速齿轮单元的一次侧可以直接沿内燃机的曲轴布置。此外，可以将增速齿轮单元级联到多级增速齿轮单元。 
在示例性实施例中，还在内燃机1与传动齿轮4之间设置常规飞轮3，所述常规飞轮以曲轴2的转动速度进行转动。 
在示例性实施例中，所述内燃机是内燃发动机，具体地是柴油发动机。在示例性实施例中，内燃机所具有的最大工作速度介于每分钟1800与2200转之间。用于内燃机的通常的操作速度将会是大约1800转。 
本发明的目的在于提供从1800这样的操作速度到介于每分钟1400与1500转之间的操作速度的速度减小，而无动态损失。这样，因为内燃机可以在能量上更有利的操作点下进行操作，所以实现了驱动系统的更高系统效率。 
驱动系统包括控制器，该控制器在应用期间将内燃机1保持在恒定设置速度。另一方面，输出5的负载力矩可以是瞬态的。如果这是工作液压器或牵引液压器，则通过致动该液压器来实现工具或车辆的致动，这相应地要求来自内燃机的交变负载力矩。 
在负载力矩增大的情况下，在内燃机能够产生增大的设置转矩并且因此提供所需要的性能之前，要经过一定时间段。然而，负载力矩的增大又造成速度上的所不希望的下降，这再次增大所需要的性能与实际性能之间的性能差距。这将再次增长达到所需要的设置转矩之前的时间段。 
由于转动的传动系部件的质量惯性矩，驱动系统包括转动能量累积 器，所述转动能量累积器的能含量又使得部分地补偿了速度的下降。具有质量惯性矩θ和角速度ω的系统的转动能等同于： 
Erot＝1/2θω2 
所需要的操作速度的降低因此导致以下事实：转动能量累积器的能含量也降低了。因此，在内燃机的瞬态所需输出功率的情况下，操作速度越低，关于速度的数值以及还关于再次达到设置速度所需要的时间段的速度上的下降就越显著。 
在常规方案中，这种效应可以通过增大飞轮3的质量惯性矩θ来抵消。然而，飞轮3的这样的增大造成安装空间长度的增大并且导致需要新的飞轮壳体。 
另一方面，根据本发明，提供经由增速齿轮单元7与内燃机连接的另外的飞轮8。像飞轮3一样，所述另外的飞轮可以经由与曲轴2连接的增速齿轮单元7安装在马达侧。替代地，所述另外的飞轮还可以提供为飞轮8’，以作为传动齿轮4的另外的输出端。因此这里提供的增速齿轮单元7’可以集成至传动齿轮4中。此外，可设想到的是将所述另外的飞轮完全集成至传动齿轮4中。 
在增速比 
a＝飞轮累积器的速度/内燃机的速度 
基于曲轴速度ωVKM并且与没有增速齿轮单元的飞轮累积器的转动能Erot有关的情况下， 
另外的飞轮的转动能Erot,a等同于 
Erot,a＝1/2θa2ωVKM2＝a2Erot。 
通过对增速比的对应调整，因此可以保持存储在飞轮累积器中的转动能恒定或甚至增大，而与操作速度ωVKM的减小无关。 
可设想到的所用增速比的范围可以介于5与15之间，优选地介于6与12之间。飞轮的质量例如可以介于5与50kg之间，优选地介于10与30kg之间。惯性矩可以介于0.05与0.5kg*m2之间，优选地介于0.1与0.2kg*m2之间。 
根据本发明的驱动系统的典型应用在于其中马达驱动工作液压器和/ 或牵引液压器的移动工具的领域。负载的控制经由液压器的致动来实现，具体地是经由致动可变排量泵、可变排量马达和/或阀布置从而致动液压系统来实现。在此类布置中，通常在小于150ms内发生从负载的15％至100％的负载猛增。 
内燃机在设置速度(所述设置速度在典型负载周期内恒定)下进行操作。具体来说，因此设有对应的速度控制装置。 
为能够利用存储在根据本发明的飞轮累积器8、8’中的转动能以至少部分地补偿负载猛增，飞轮累积器优选地稳固地联接至传动系。然而，可能地，反应非常快速的离合器也可以用于飞轮累积器的连接，所述离合器优选地是所具有的反应时间小于10ms的离合器。 
可以进行如下设置：可以通过工作机器的操作者来调整操作速度，以便由此指定可供使用的动态变化。根据本发明的飞轮累积器允许减小操作速度，以便节省燃料但是却具有足够的动力。 
图2示出具有根据本发明的驱动系统的根据本发明的移动工具的典型示例性实施例。 
移动工具包括具有移动齿轮13的底架，在所述底架上，设有可围绕竖直转动轴线10转动的上架9。因此在底架与上架之间设置回转环11。移动齿轮13可以是一个或多个轮轴和/或一履带式齿轮。 
在上架上设有内燃机1，所述内燃机根据本发明驱动液压系统。液压系统优选地至少驱动工具的工作液压器，该工作液压器例如是一个或多个液压缸和/或液压马达，所述工作液压器用于驱动工作设备，所述工作设备例如是吊杆、臂杆和/或曲柄。此外，工作液压器还可用于经由液压马达使上架转动。另外，液压系统还可以用于驱动移动齿轮。 
在上架上还设有根据本发明的快速运行的飞轮累积器8，所述飞轮累积器经由增速齿轮单元7与内燃机1的曲轴连接。 
在图2中所示的示例性实施例中，飞轮累积器8的转动轴线12位于垂直于上架的竖直转动轴线10的平面中。这样的布置允许特别容易地连接至内燃机的曲轴，因为所述曲轴通常也在这个平面中延伸。 
然而，在具有这样的布置的情况下，必须将由于角动量在上架的转动 期间保存在飞轮累积器中所引起的旋进作用考虑在内，所述旋进作用通过过度的转动能，可能造成上架的不希望的倾斜运动。此外，这使得部件上、特别是枢轴承11上的负载增大。 
在根据本发明的工具的典型操作周期中，上架围绕其竖直轴线10在两个方向上循环地转动，以便例如在第一转动位置中经由抓具或铲具拾取散装材料，并且在另一点处再次存放散装材料。 
一方面，具有快速负载变化的这种循环负载要求驱动系统的高动力，所述高动力由根据本发明的相应尺寸的飞轮累积器8或增速齿轮单元7开提供。 
为避免旋进力给上架带来负载，飞轮累积器8的转动轴线12除了图2中所示的以外，也可以被布置成使得保持旋进力尽可能低。例如，飞轮累积器的转动轴线12可以被布置成平行于上架的转动轴线10。由此可以完全避免旋进力。 
此外，可设想到的是将能量存储分配至各自具有反向角动量的两个相同转动累积器，例如分配至具有平行的关于转动方向反向的转动轴线的两个转动累积器。对于整个系统，因此两个飞轮累积器的旋进彼此抵消。 

Claims (25)

1.一种具有内燃机(1)的驱动系统，所述驱动系统驱动液压系统(5)和/或包括致动所述内燃机(1)的控制器，这样使得所述内燃机通过瞬态负载力矩以恒定设置速度进行操作，其中所述驱动系统包括飞轮累积器(8)， 
其特征在于： 
所述飞轮累积器(8)经由增速齿轮单元(7)与所述内燃机(1)的输出轴(2)连接。 
2.根据权利要求1所述的驱动系统，其中所述内燃机(1)是内燃发动机。 
3.根据权利要求1所述的驱动系统，其中所述内燃机(1)是柴油发动机。 
4.根据权利要求1、2或3所述的驱动系统，其中所述设置速度介于每分钟1000与2000转之间。 
5.根据权利要求1、2或3所述的驱动系统，其中所述设置速度介于每分钟1300与1800转之间。 
6.根据权利要求1、2或3所述的驱动系统，其中增速比介于5与15之间。 
7.根据权利要求1、2或3所述的驱动系统，其中增速比介于6与12之间。 
8.根据权利要求1、2或3所述的驱动系统，其中所述飞轮的质量介于5kg与50kg之间；和/或其中所述飞轮累积器(8)的惯性矩介于0.05kg*m2与0.5kg*m2之间。 
9.根据权利要求1、2或3所述的驱动系统，其中所述飞轮的质量介于10kg与30kg之间；和/或其中所述飞轮累积器(8)的惯性矩介于0.05kg*m2与0.5kg*m2之间。 
10.根据权利要求1、2或3所述的驱动系统，其中所述飞轮累积器(8)恒定地与所述内燃机(1)的所述输出轴(2)连接。 
11.根据权利要求中1、2或3所述的驱动系统，其中所述飞轮累积器(8)经由离合器与所述内燃机的所述输出轴连接，所述离合器在闭合时具有小于100ms的反应时间。 
12.根据权利要求中1、2或3所述的驱动系统，其中所述飞轮累积器(8)经由离合器与所述内燃机的所述输出轴连接，所述离合器在闭合时具有小于50ms的反应时间。 
13.根据权利要求中1、2或3所述的驱动系统，其中所述飞轮累积器(8)经由离合器与所述内燃机的所述输出轴连接，所述离合器在闭合时具有小于20ms的反应时间。 
14.根据权利要求1、2或3所述的驱动系统，其中所述飞轮累积器(8)经由传动装置(7、7’)与所述内燃机的所述输出轴连接。 
15.根据权利要求1、2或3所述的驱动系统，其中所述飞轮累积器(8)集成至所述内燃机的传动齿轮(4)中。 
16.根据权利要求1、2或3所述的驱动系统，其包括所述液压系统的控制器，所述控制器致动所述液压系统的功率消耗和/或输出，具体地通过致动可变排量泵和/或可变排量马达和/或阀控制器来进行。 
17.根据权利要求1、2或3所述的驱动系统，其中所述液压系统有利地是工作液压器和/或牵引液压器。 
18.根据权利要求1、2或3所述的驱动系统，其中所述设置速度能经由用于调整动态储备的控制器调整。 
19.一种具有根据以上权利要求1-18中任一项所述的驱动系统的移动工具，其中所述驱动系统有利地用于驱动移动齿轮和/或工作设备，和/或其中所述驱动系统驱动液压系统的至少一个液压泵，其中所述移动工具包括底架和围绕竖直转动轴线(10)布置在所述底架上的上架(9)；其中所述飞轮累积器(8)的轴线(12)被布置成平行于所述上架的所述转动轴线(10)；和/或其中设置了具有相反转动轴线(12)的两个飞轮累积器(8)。 
20.根据权利要求19所述的移动工具，其中所述工具是掘土机和/或材料处理机。 
21.根据权利要求19所述的移动工具，其中所述工具是起重机或挖掘机。 
22.一种具有根据权利要求1-18中任一项所述的驱动系统的车辆，其中所述驱动系统有利地用于驱动移动齿轮和/或工作设备，和/或其中所述驱动系统驱动液压系统的至少一个液压泵，其中所述车辆包括底架和围绕竖直转动轴线(10)布置在所述底架上的上架(9)；其中所述飞轮累积器(8)的轴线(12)被布置成平行于所述上架的所述转动轴线(10)；和/或其中设置了具有相反转动轴线(12)的两个飞轮累积器(8)。 
23.根据权利要求22所述的车辆，其中所述车辆是掘土机和/或材料处理机。 
24.根据权利要求22所述的车辆，其中所述车辆是起重机或挖掘机。 
25.一种具有根据权利要求1-18所述的驱动系统的固定工作系统，其中所述驱动系统有利地用于驱动发电机和/或液压供应系统。 
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