DE2053717A1 - Hydraulische Antriebsvorrichtung fur das Gestänge einer Tiefbrunnen Kolbenpumpe - Google Patents

Hydraulische Antriebsvorrichtung fur das Gestänge einer Tiefbrunnen Kolbenpumpe

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DE2053717A1 DE19702053717 DE2053717A DE2053717A1 DE 2053717 A1 DE2053717 A1 DE 2053717A1 DE 19702053717 DE19702053717 DE 19702053717 DE 2053717 A DE2053717 A DE 2053717A DE 2053717 A1 DE2053717 A1 DE 2053717A1
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Pump Specialties, Inc , Dallas, Tex (V St A)
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Patentanwälte Dlpl.-Ing. R. DSETZ »er«.
Dlpl-inc- K. LAM PRECHT
Dr.-Ing. R. BEETZIr, . . .
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Pump Specialties, Inc., DALLAS (Texas), V.St.A.
Hydraulische Antriebsvorrichtung für das Gestänge einer Tiefbrunnen-Kolbenpumpe
Tiefbrunnen-Kolbenpumpen, die von der Oberfläche aus durch ein Pumpengestänge angetrieben werden, sind in der Erdölindustrie seit langem bekannt. Üblicherweise wird das Pumpengestänge von der Antriebsmaschine aufwärts und durch die Schwerkraft abwärts bewegt. Für diese Auf- und Abwärtsbewegung des Gestänges sind bisher mancherlei Antriebsvorrichtungen üblich. Aber die bisherigen Vorrichtungen zum Antrieb des Gestänges sind durch ihre Kompliziertheit, durch hohe Herstellunge- und Instandhaltungskosten und durch großen Kraftbedarf vielfach nachteilig.
Die wohl häufigste Antriebsvorrichtung ist der bekannte Schwingarmantrieb. Seine vielen beweglichen Bauteile, Lager, Zahnräder, Ketten usw. sind Ursache der hohen
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Anschaffungekosten und erfordern ständige Wartung» Sie sind ferner äußerst schwer und sperrig und erfordern zu ihrem Transport zum Bohrloch sehr schwere Kraftwagen und anderes schweres Gerät. Auch für ihre Wartung ist äußerst schweres Gerät, das zum Bohrloch gebracht werden muß, nötig. Und schließlich ist der Bedarf dieser Vorrichtungen an Antriebsleistung groß und daher der Betrieb kostspielig,
^ Andere bekannte Pumpen-Antriebevorrichtungen benützen
hydraulische Mittel, nämlich Hydraulikzylinder, zum Hub des Pumpengestanges. Aber die bekannten Vorrichtungen dieser Art erfordern wegen des großen Gewichts des Gestänges sämtlich hohen Druck und hohe Leistung, und diese wiederum erfordert hohe Qualität der Steigrohre, der Ventile und sonstigen Bauteile, damit diese unter so hohem Druck befriedigend arbeiten. Freilich benutzen einige der bekannten hydraulischen Vorrichtungen als Hilfsmittel des Betriebes auch schon Druckspeicher; aber diese Speicher liefern nur die im unteren Totpunkt erforderliche Ausgleichskraft, und daher muß hohe Motorleistung für den ganzen Aufwärtshub aufgewendet werden.
Bei einer bekannten hydraulischen Antriebevorrichtung (USA 2 770 197) dient zum Heben des Pumpengestänges ein einziger Zylinder, der mit Druckflüssigkeit von einer Hydraulikpumpe über einen Druckspeicher gespeist wird. Sie erfordert zu ihrem Betrieb einen komplizierten Kreislauf für die Steuerung der Ventile und der Hochdruckpumpe. Auch ist sie nur beschränkt verwendbar, da ihr Hub nur wenig verstellbar ist) sie würde für eine groß· Vielfalt von Tiefbrunnenpumpen einander verschiedener Charakteristiken nicht brauohbar sein.
Auch, andere bekannte hydraulische Antriebsvorrichtungen für Tiefbrunnenpumpen (USA 2 564 285 und USA 2 366 777) sind Beispiele für die sperrige und kompliziertef in der Herstellung teure und in Montage und Wartung schwierige Bauart bekannter Pumpenantriebsvorrichtungen, Viele der bekannten Vorrichtungen sind ebenfalls nur beschränkt verwendbar, nämlich nicht für Pumpen voneinander verschiedener Hublänge, Fördermenge usw. geignet.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine neue, verbesserte, in Herstellung, Wartung und Betrieb wirtschaftliche Pumpenantriebsvorrichtung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
a) mindestens einen Tragzylinder und mindestens einen Antriebszylinder, deren Kolbenstangen mit d«m oberen Ende des Pumpengestanges verbunden sind,
b) einen mit dem Tragzylinder verbundenen Druckflüssigkeitsspeicher so hohen Druckes, daß dieser den Kolben des Tragzylinders,'wenn keine anderen Kräfte auf das Pumpengestänge wirken, auf halbem Hub In der Schwebe hält,
c) eine Steuervorrichtung, welche die Druckflüssigkeit von der Hydraulik-Druckpumpe in den Antriebszylinder steuert und derart betätigt wird, daß der Kolben des Antriebszylinders das Pumpengestange zunächst in seinen oberen Totpunkt und darauf gegen den Druck des Druckflüssigkeitsspeichers in seinen unteren Totpunkt bewegtt
Eine besonders empfehlenswerte Bauart besteht darin, daß die Steuereinrichtung ein Hauptsteuerventil enthält,
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das wahlweise in eine Stellung) in der es den Kolben des Antriebszylinders in seinen oberen Totpunkt steuert, oder in eine Stellung, in der es den Kolben des AntriebeZylinders in seinen unteren Totpunkt steuert, bewegt werden kann.
Diese erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung ist von einfacher Bauart und läßt eich in einem kleinen Kraftwagen zum Bohrloch bringen und leicht von einer einzigen Person über dem Bohrloch montieren. Ferner ist, da der größte Teil der Pumparbeit von den Tragzylindern geleistet wird, der für den Antriebszylinder nötige Druck sehr niedrig; infolgedessen braucht der elektrische oder sonstige Motor, der die die Antriebszylinder speisende Hydraulikpumpe antreibt, nur von geringer Leistung zu sein» Die Vorrichtung läßt sich leicht auf die Hublänge und Hubzahl, welche die jeweilige Tiefbrunnenpumpe erfordert, einstellen. Deshalb ist die Vorrichtung in einzigartiger Weise billig herzustellen und mit gutem Wirkungsgrad zu betreiben und daher gegenüber den bisherigen Vorrichtungen ein großer Fortsohritt.
Bin bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar in
Fig. 1 im Grundriß;
Fig. 2 in Vorderansicht, einige Teile im Schnitt;
Fig. 3 im Schnitt entlang der Linie 3-3 der Fig. 2}
Fig. k in einem Diagramm des Kreislaufs des Hydrauliksystems.
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Zunächst sei auf Fig. 2 der Zeichnungen hingewiesen. Die Zeichnungen zeigen das übliche obere Ende 18 eines Bohrlochrohres, an das dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel 20 der Erfindung angeschlossen ist, um die oberste Polierstange 21 eines Pumpengestänges auf- und niederzubewegen. Die unterste Stange des Gestänges ist in bekannter Weise an eine übliche Kolbenpumpe angeschlossen.
Auf dem oberen Ende 18 des Bohrlochrohres ist eine Grundplatte 22, welche Platz für den Steigrohr-Abschlußflansch, für das T-Stück und für die Stopfbüchse bietet, auf einem Gerüst 23 durch Sohraubbolzen 24 befestigte Sie bildet die Tragplatte für verschiedene Bestandteile dieser bevorzugten Ausführungsform. Sie weist einen Schlitz 26 (Fig. 1) auf, der sich von ihrer Vorderkante einwärts erstreckt und die Pumpenstange 21 umgibt, ohne sie zu beengen, so daß die Pumpenstange sich frei in ihrer Achsrichtung auf- und niederbewegen kann; der Schlitz ermöglicht ferner bequemen Abbau der Einheit vom Bohrlochkopf, wenn am Bohrloch gearbeitet, z. B0 das Bohrloch-Futterrohr und Gestänge gezogen wird.
Auf der Grundplatte 22 ist, wie aus Fig. 1 und 2 ersichtlich, ein Paar verhältnismäßig weiter Tragzylinder befestigt, und zwar je einer an jeder Seite der Pumpenstange 21 und nahe dieser. In jedem dieser Tragzylinder 28 befindet sich ein Kolben 29 mit einer Stange 30, die sich aufwärts aus dem Tragzylinder heraus erstreckt; diese beiden Stangen 30 sind an ihrem oberen Ende mit einem Querhaupt 32 verbunden. Dieses Querhaupt 32 ist in seiner Mitte mit dem oberen Ende der Polieretange 21 verbunden» Vom Boden jedes der Tragzylinder 28 erstreckt sioh je eine Druokflüssigkeitsleitung 3k zum Boden eines Druckspeicher«
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361 die oberen Enden der Tragzylinder 28 sind zur Außenluft hin offen, so daß ihre Kolben 29 frei zum oberen Ende der Zylinder hin sich bewegen können. Der Speicher 36 enthält in seinem unteren Teil Druckflüssigkeit 37 und darüber verdichteten Stickstoff 38.
Auf der Grundplatte ist ferner beiderseits der Tragzylinder 28 ein zweites Paar hydraulischer Zylinder befestigt; und zwar zwei Antriebszylinder k0o Jeder von diesen enthält einen Kolben kl mit einer Stange 42, die aus dem Zylinder aufwär_ts heraueragen und - genau wie die Kolbenstangen 30 - am Querhaupt 32 befestigt sind. Die Achsen der Stangen kZ und 30 und der Pumpenstange 21 sind in gemeinsamer Ebene und parallel zueinander angeordnet) siehe Fig, 1 und 2.
An jeden Antriebezylinder kO ist an seinem oberen Ende eine Leitung kk und an seinem unteren Ende eine Leitung 46 angeschlossen« Daher werden die Kolben 41 und Kolbenstangen k2 von der Druckflüssigkeit, wenn diese durch die Leitung k6 eingeführt wird, aufwärts und, wenn die Druckflüssigkeit durch die Leitung kk eingeführt wird, abwärts gedrückt. Die Leitung kk ist an eine Leitung k8 eines Hauptsteuerventils 50 und die Leitung 46 ist an eine Leitung 52 dieses Ventils angeschlossen; siehe Flg. 4.
Im Gehäuse dieses Steuerventils 50 1st ein Kolben 5k zwischen einer reohten und einer linken Endstellung hin- und herbeweglich. An das Ventil 50 sind eine Hauptdruckleitung 56, die von einer Hydraulikpumpe 58 kommt, und ei* ne AbIaufleitung 60, dl· au einem Samme1tank 62 führt, angesohlosseni aus diesem Sammeltank 62 saugt die Pumpe 58
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durch eine Ansaugleitung 6h, Ein in der Pumpendruckleitung 56 angeordnetes Sicherheitsventil 66 verhindert unzulässig hohen Druck in dieser Leitung; sein Hauptzweck aber ist, die Hubgeschwindigkeit im oberen Teil des Aufwärtshubes und im unteren Teil des Abwärtshubes zu verlangsamen und so die Hubbewegung allmählich zu beenden.
Der Kolben 5h des Hauptsteuerventils 50 wird durch Druck von einem Vorsteuerventil 70 gesteuert. An dieses Vorsteuerventil 70 sind Steuerleitungen 72 und lh angeschlossen} ein in ihm angeordneter Steuerkolben l6 läßt sich in eine untere Stellung - siehe Fig. h - oder in eine obere Stellung verschieben. Das Vorsteuerventil 70 ist durch eine Steuerflüssigkeits-Druckleitung 78 mit der Pumpendruckleitung 56 und durch eine Ablaufleitung 80 mit der Pumpenablaufleitung 60 verbunden. In der Ablaufleitung 80 ist ein Drosselventil 82 angeordnet; dessen Zweck wird später erläutert werden.
Vom Vorsteuerventil 70 erstreckt sich eine Steuerstange 8*l· (siehe Fig. 2 und Fig. h) aufwärts; sie ist an ihrem unteren Ende mit dem Steuerkolben 76 des Vorsteuerventils verbunden und nahe ihrem oberen Ende mit einem oberen Anschlagring 86 und etwas darunter mit einem unteren Anschlagring 88 verbunden; diese Anschlagringe 8 6 und 88 sind verstellbar, so daß sie jede gewünschte Hublänge, d. h. von einigen Zentimetern bis herauf zur größten Hublänge der Einrichtung, ergeben. An der Polieretange 21 ist zur Betätigung des Vorsteuerventils 70 ein Arm 90 (Fig. 2) angebracht, der an die Anschlagringe 86 und 88 anschlägt; er schlägt, wenn die Pumpenstange sich dem unteren Ende des Pumpenhubes nähert, wie in Fig. 2 gezeich-
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net, am Ring 88 und, wenn die Pumpenstange eich dem oberen Ende des Hubes nähert, am oberen Anschlagring· 86 an} wenn er an einen dieser Anschlagringe anschlägt, bewegt er die Steueretange 84 und den Steuerkolben i6 des Vorsteuerventile 70 in die obere bzw. untere Stellung» Der Steuerkolben 76 des Voreteuerventils bleibt in der oberen bzw. unteren Stellung so lange, bis er beim nächsten Anschlag des Armes 90 in die andere Stellung bewegt wird·
' Wenn der Steuerkolben 76 des Vorsteuerventile 70 in
seiner in Fig. 4 gezeigten unteren Stellung ist, fließt Steuerdrucköl von der Leitung $6 durch das Ventil 70 zur Steuerleitung 72 und schiebt den Kolben 54 des Hauptsteuerventile 50 in seine in Fig. 4 gezeichnete rechte Stellung) bei dieser Stellung strömt Druckflüssigkeit von der Hauptdruckleitung 56 zur Leitung 52 und von dort in die Leitungen 46 und durch diese in die untere Seite der Antriebszylinder 40, so daß die Kolbenstangen 42 das Querhaupt 32 aufwärtssohieben* Wenn dagegen der Steuerkolben 76 des Vorsteuerventils 70 in seiner oberen Stellung steht, strömt Druckflüssigkeit von der Leitung 78 zur Leitung 74 und
^ schiebt den Kolben 54 in seine linke Stellung, bei der der Pumpendruck auf die Leitungen 48, 44 gegeben wird, so daß die Kolbenstange 42 das Querhaupt 32 herabdrängen| gleichzeitig wird die Leitung 46 mit der Ablaufleitung 60 verbunden, so daß die Kolben 4i eich abwarte bewegen können.
Man beachte, daß bei Umeohaltbewegung der Steuerstange 84 der Kolben 54 des HauptSteuerventils 50 nicht sofort umgeschaltet wird. Denn da durch das Steuerventil 82 der auf das Umsohalten der Steuerstange 84 erfolgende Abfluß
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von der Niederdruckseite des Kolbens 54 eingestellt, d. he begrenzt ist, ergibt sich, an den oberen und unteren Enden des Hubes der Stange 21 eine Verzögerung, Sie verhindert unerwünscht harte Schläge oder Schwingungen des Pumpengestänges 21; die Einstellung ist derart, daß das Gestänge 21 in jeder Hubrichtung allmählich zum Stillstand kommt, ehe es die Bewegung in der Gegenrichtung beginnt.
Im Betrieb wird zunächst der Druckspeicher j6 auf einen Druck gebracht, der hoch genug ist, daß die Tragzylinder 28 die Kolbenstangen 30 usw. um den halben Pumpenhub bis zu einem Schwebepunkt, wie in Fig. 4 dargestellt, anheben würden, wenn keine anderen Kräfte auf die vom Querhaupt 32 getragenen Bauteile ausgeübt würden. Der Druckspeicher braucht nicht weiter mit Druck aufgefüllt und überhaupt nicht weiter beachtet zu werden. Wenn sich die beweglichen Teile in der Schwebestellung befinden, ist der Druck im Druckspeicher 36 ·ο weit verringert, daß der Speicherdruck die Stange 30 nicht über diesen Schwerpunkt anheben kann und die aufwärtsgerichtete Kraft der Tx»agekolben 29 genau gleich dem Gewicht des Querhauptes 32, des Pumpengestänges und der gehobenen Ölsäule ist. Aber die Antriebszylinder 4θ liefern die für einen vollständigen Hub oberhalb und unterhalb des Sohwebepunktes zusätzliche Kraft.
Angenommen, der Speicherdruck sei so eingestellt worden, daß er Kraftausgleich auf halben Hube ergibt, und die Kolbenstangen 30 und 42 seien in ihrer untersten Hubstellung ( dann wird sich in den Leitungen 46 unter den Kolben 41 kein Druck aufbauen, da die Tragzylinder alle Hubarbeit liefern, die nötig ist, das Querhaupt 32 nebst
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seiner Last zu heben. Das Querhaupt wird also gehoben werden, und wenn es durch die Hubmitte kommt, wird die von den Tragzylindern 29 ausgeübte Kraft unter die Schwerkraft gesunken sein; aber dann wird sioh in den Leitungen 46 unter den Kolben 41 ein Druck aufbauen, der die zur Vollendung des Aufwärtshubes nötige Zusatzkraft liefert. Man beachte, daß die Tragzylinder 26 wesentlich größeren Durchmesser als die Antriebskolben haben and sie daher den größten Teil der zum ganzen Aufwärtshub nötigen Gesamtarbeit liefern« Bewegung der Pumpenstange 21 in ihrem oberen Totpunkt bewirkt Anschlag des Armes 90 an den oberen Anschlagring 86, wodurch die Steuerstange 84 und der Steuerkolben 76 in ihre oberste Stellung geschoben werden, so daß ein Steuersignal in die Steuerleitung 74 gegeben und dadurch der Kolben 54 des Hauptsteuerventils in seine linke Stellung bewegt wird. Dies· Bewegung des Steuerkolbens 54 nach links bewirkt, daß der Druck von der Leitung 56 auf die Leitungen 48, 44 gegeben und gleichzeitig die Leitung 46 mit der Ablaufleitung 60 verbunden, wird, Da die Schwerkraft eine Abwartsbewgung verursacht, ist auf den Leitungen 44, 48 kein Druck, bis die Einrichtung den Schwebepunkt in der Hubmitte erreicht; dann entsteht in den Leitungen 44, 48 ein Druck, und dieser bewirkt, daß die Kolben 41 das Querhaupt 32 bis zum unteren Totpunkt des Hubes herabziehen; dort wird eine Kraft derselben Stärke von den Kolben 41 geliefert werden. In der Ablaufleitung 60 ist, wie aus Fig. 4 ersiohtlich, ein Drosselventil 91 angeordnet, das den Flüssigkeitsablauf vom Hauptsteuerventil 50 und somit die Geschwindigkeit des Aufwärtshubes vom unteren Totpunkt zur Hubmitte und des Abwärtshubes vom oberen Totpunkt zur Hubmitte steuert; zusammen mit dem Drosselventil 82 ermöglicht es, die Hubgeschwindigkeit des Aufwärts- und des Abwärtshubes sehr
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gleichmäßig über einen Bereich von 2 bis 17 Hüben pro Minute zu verändern»
Es hat sich gezeigt, daß sioh mit dieser Erfindung Pumpen mit beliebiger Hubzahl betreiben lassen und der Motor nur einen Bruchteil der für frühere Pumpen nötigen Stärke zu haben braucht. Zum Beispiel liefert ein 5-PS-Motor genug Kraft, ein Bohrloch von 15OO m Tiefe mit einer Pumpe von 1,20 α Hub mit 16 Hüben pro Minute zu betreiben. Die Größe der von einem so kleinen Motor gelieferten Pumparbeit ist um so auffallender, wenn man bedenkt, daß die zu hebende und um 1,20 m zu bewegende Last bei jedem Hub fast 5 Mp beträgt«
Ferner ist die Erfindung sehr anpassungsfähig, da der Pumpenhub mit großer Genauigkeit durch die Höhenverstellung der Anschlagringe 86, 88 verstellt werden kann.
Außerdem ergibt die Erfindung noch weitere Ersparnisse dadurch, daß die Bauteile in weitem Maße übliche lagermäßige Teile sind und keine Sonderbearbeitung oder Sonderherstellung,erfordern.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    (1 »JHydraulisehe Antriebseinrichtung, die von einer Hydraulik-Druckpumpe angetrieben wird und das Pumpengestänge einer Tiefbrunnen-Kolbenpumpe auf- und niederbewegt, weiche beim Aufwärtshub fördert, gekennzeichnet durch
    a) mindestens einen Tragzylinder (28) und mindestens einen Antriebezylinder (ko) t deren Kolbenstangen mit dem oberen Ende des Pumpengestangeβ (21) verbunden sind,
    b) einen mit dem Tragzylinder (28) verbundenen Druckflüssigkeltsspeicher (3^) so hohen Druckes, daß dieser den Kolben (29) des TragzylInders (28), wenn keine anderen Kräfte auf das Pumpengeβtang· (21) wirken, auf halbem Hub in der Schwebe hält,
    c) eine Steuervorrichtung (5^» 70), welche die Druckflüssigkeit von der Hydraulik-Druckpumpe (58) in den Antriebezylinder (ko) steuert und derart betätigt wird, daß der Kolben (kl) des AntriebsZylinders (ko) das Pumpengestänge (21) «nächst in seinen oberen Totpunkt und darauf gegen den Druck des Druckflüseigkeitsspelohers (36) in seinen unteren Totpunkt bewegt· ι
    2. Hydraulisch· Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dl· Steuereinrichtung ein Hauptsteuerventil (5*0 enthält, das wahlweise in eine Stellung, in der es den Kolben (kl) des Antriebszylinders (ko) in seinen oberen Totpunkt steuert, oder in eine Stel-
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    lung, in der es den Kolben (4i) des AntriebsZylinders in seinen unteren Totpunkt steuert, bewegt werden kann·
    3· Hydraulische Antriebsvorrichtung nach Anspruoh. 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Tragzylinder (28) und zwei Antriebszylinder (4o) mit dem Pumpengestange (21) mittels eines gemeinsamen Querhauptes (32) verbunden sind.
    4. Hydraulische Antriebsvorrichtung nach Ansprach 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Druckflüssigkeitsspeicher (36) nur teilweise mit Druckflüssigkeit (37) und darüber mit verdichtetem Stickstoff (38) gefüllt ist.
    5. Hydraulische Antriebsvorrichtung nach Anspruoh 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (54, 70) einen Arm (90), der an der obersten Stange des Pumpengestänges (21) verstellbar befestigt ist, ferner ein Vorsteuerventil (70)» da· eine vom Ausgang (56) der Hydraulik-Druckpumpe (58) kommende Eingangsleitung und zwei zum Hauptsteuerventil (5*0 führende Ausgangeleitungen aufweist, und eine das Vorsteuerventil (70) betätigende Stange (84) enthält, die aus dem Vorsteuerventil (7O) herausragt und einen oberen Anschlagring (86) bzw· unteren Anschlagring (88) trägt, an den der Arm (90) bei Annäherung des Pumpengestangeβ (21) an seinen oberen bzw· unteren Totpunkt anschlägt·
    6· Hydraulische Antriebsvorrichtung naoh Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der obere und der untere An-•chlagring (86, 88) auf der Betätigungsstange (84) senkrecht verstellbar sind»
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    - lk -
    7· Hydrauli β ohe Antriebsvorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein Drosselventil (82), das die Bewegung des Hauptsteuerventilβ (5*0 bei· oberen und unteren Totpunkt des Pumpengestündeβ (21) verzögert1
    8. Hydraulische Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7» gekennzeichnet durch ein Drosselventil (91) In der Ablauf -leitung (6o)f welches die Geschwindigkeit der Kolben (4i) der Antriebezylinder (ho) bei« Aufwärts- und beim Abwärts-P hub ungeachtet der minutlichen Hnbsahl der Antriebskolben
    (kl) gleitend hält.
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