新型双向硬密封旋球阀投入风险模糊层次分析评价模型

王志强^{1, 2}，雷吉平²，鄂加强²

 (1. 湖南科技大学 信息与电气工程学院，湖南 湘潭，411201；

2. 湖南大学 机械与运载工程学院，湖南 长沙，410082)

摘  要：为减少新型双向硬密封旋球阀开发投入风险，采用三角形隶属函数构造模糊一致性判断矩阵，采用层次分析法计算指标权重，提出新型双向硬密封旋球阀开发投入风险模糊层次分析评价模型。研究结果表明：该分析评价模型可区分新型双向硬密封旋球阀开发投入风险因素的重要度，合理性和可用性好，可为降低新型双向硬密封旋球阀开发投入风险提供决策作用。

关键词：模糊层次分析法；评价模型；阀门；风险

中图分类号：TH 138.52          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2010)03-0988-06

Fuzzy analytic hierarchy process assessment model of invest venture for new type rotating ball valve with double direction metal sealing

WANG Zhi-qiang^{1, 2}, LEI Ji-ping², E Jia-qiang²

(1. College of Informational and Electrical Engineering, Hunan University of Science and Technology,
Xiangtan 411201, China;

2. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)

Abstract: In order to reduce investment risk from new product development about valves, a fuzzy analytic hierarchy process assessment model of investment risk from new product development for the valves was put forward based on the fuzzy consistent decide matrix using triangle subjection function and index weight calculated by analytic hierarchy process. The results show that the investment risk factors from new product development for the valves can be distinguished from each other, so the method is reliable and convenient for decision makers.

Key words: fuzzy analytic hierarchy process; assessment model; valve; venture

阀门是管道流体输送系统中应用最广泛、最重要的执行机构或者控制元件^[1-3]，在国民经济各个部门应用广泛。然而，在新型阀门开发能力方面，水力模型少，在强度、刚度、启闭、振动和可靠性设计方面主要依靠经验公式和常规力学计算。尽管国外已将计算流体力学、有限元结构与旋转动力学分析、新型的信息管理与应用技术应用于阀门的设计、应用与实际操作^[4-6]，但阀类机械的设计还停留在“设计—试制—试验—改进”阶段，实用性较差，虽然对存在的问题和故障现象提出一些解决办法，但未从根本上解决存在的问题^[7-10]，如仍然存在加工复杂、工序多、合格率低、大规模生产制造困难、加工成本较高和使用寿命短等缺点，研究开发长寿节能节水的新型双向硬密封旋球阀显得十分重要。新型双向硬密封旋球阀的开发和研究是建立在ADAMS虚拟设计技术和多学科设计优化方法等新的科学知识或新的技术原理基础上^[11-13]，存在着一定风险，所以，必须分析和识别新型双向硬密封旋球阀开发存在的风险因素，并评估该风险因素对不同新型双向硬密封旋球阀开发方案所产生的   影响，以选择最优的新型双向硬密封旋球阀开发项目。Saaty于20世纪70年代提出的层次分析法(Analytic hierarchy process, AHP)是一种多准则决策方法^[14-15]，广泛应用于复杂系统的分析与决策。利用AHP，可以很好地实现对新型双向硬密封旋球阀开发投入风险的定性分析和定量分析。但AHP在对2种方案的重要性赋值进行比较时只考虑了人判断的2种可能极端情况，而没有考虑人判断的模糊性。为此，本文作者采用三角形隶属度函数构造模糊一致性判断矩阵，并采用层次分析法计算指标权重，提出1种基于改进模糊层次法的新型双向硬密封旋球阀开发投入风险评价模型，以便为降低新型双向硬密封旋球阀开发投入风险提供决策依据。

1  新型双向硬密封旋球阀工作原理

新型双向硬密封旋球阀总体结构类似蝶阀结构，分为阀体总成(包括阀体和阀座)和阀板总成(阀板、阀杆和阀杆端密封件、驱动机构)。阀板密封面类似球阀，为正球面，相当于球体两端直接切除余下的部分。阀板固定于阀杆上，在外部驱动机构作用下，围绕阀杆轴线转动，作为阀门启件和闭件。阀座不与阀体连为一体，为1个单独的零件，在介质作用下可沿阀体轴线移动。阀座密封面为圆环锥面，阀门关闭时密封面为线接触密封。阀芯的密封面为三次曲面，阀座的密封面为一次圆锥面。在密封点处，阀座面实际上是阀芯三次曲面的切面(如图1所示)，因而其结合十分完美，具有自适应(中心自动定位重合)和补偿磨损功能。

由于转动中心偏离阀芯几何中心，故阀芯打开时阀芯实体不断向后退、向内缩，阀芯关闭时阀芯实体不断向前进、向外胀，其功能与半球阀、闸阀、截止阀、蝶阀的综合功能相当。其不同角度的变化图如图2所示。

(a) 阀芯密封曲面；(b) 阀芯密封曲面A部分的放大图

图1  阀芯密封曲面及局部放大图

Fig.1  Sealed surface of valve core and its enlarged map

阀门开启角度/(?): (a) 0; (b) 30; (c) 45; (d) 90

图2  阀芯实体各不同角度变化图

Fig.2  Change process of valve core at different angles

双向流旋球阀既能在正向压力时密封良好，在反向压力或反向压力大于正向压力时也能密封良好。当正向压力作用时，介质压力推动阀板向前移动，阀杆变形，阀板密封面紧贴阀座密封面传递压力，将阀座推向阀体台阶，使之密封良好；当反向压力作用时，介质压力推动阀板向后移动，介质压力同时推动阀座向后移动，阀座密封面紧贴阀板密封面传递压力，将阀座推向阀杆极限变形位置，使其密封良好。正、反向密封示意图如图3所示。

 (a) 正向；(b) 反向

图3  正、反向密封阀示意图

Fig.3  Diagram of double direction sealing valve

2  新型双向硬密封旋球阀开发投入风险评价模型的建立

对于新型双向硬密封旋球阀开发投入风险程  度，可以用模糊层次分析法^[5]进行评价，即将新型双向硬密封旋球阀开发投资中的所有风险一一列出，然后，设计风险调查表，对各因素进行模糊评价，并求出平均数，再进行相关计算，得出整个项目的风险评估结果。

2.1  新型双向硬密封旋球阀开发投入风险评估指标体系的构建

建立新型双向硬密封旋球阀开发投入风险评估指标体系是进行其风险评估的基础。在一般情况下，其评估的主要内容集中在新型双向硬密封旋球阀技术风险、生产及管理风险、投资风险和来自外界环境的风险这4个方面。

来自新型双向硬密封旋球阀技术风险H₁包括：性能指标不确定性风险H₁₁，节能节水效果不确定性风险H₁₂，使用寿命不确定性风险H₁₃和生产工艺落后风险H₁₄。

来自新型双向硬密封旋球阀生产与管理风险H₂包括：批量生产风险H₂₁，生产周期过长风险H₂₂，阀门市场需求不确定性风险H₂₃，阀门市场竞争不确定性风险H₂₄，阀门生产各部门配合不确定性风险H₂₅和急于获利风险H₂₆。

来自投资风险H₃包括：阀门材料价格上涨风险H₃₁，机加工设备涨价风险H₃₂，人力成本上升风险H₃₃，资金实力风险H₃₄，管理工作者带资和垫资风险H₃₅和资金信誉风险H₃₆。

来自外界环境的风险H₄包括：政府政策风险H₄₁，社会环境风险H₄₂和行业行规风险H₄₃。

则新型双向硬密封旋球阀开发投入风险H可表示为：H=(H₁，H₂，H₃，H₄)。其中：H₁=(H₁₁，H₁₂，H₁₃，H₁₄)；H₂=(H₂₁，H₂₂，H₂₃，H₂₄，H₂₅，H₂₆)；H₃=(H₃₁，H₃₂，H₃₃，H₃₄，H₃₅，H₃₆)；H₄=(H₄₁，H₄₂，H₄₃)。

2.2  采用层次分析法确定各影响因素权重

采用层次分析法^[4]确定权重的方法如下。

构造判断矩阵：C=(c_ij)_n×n，且具有以下性质：c_ij＞0；c_ij=c_ji；c_i=j =1。则相对权重W_i可表示为：

采用层次分析法，各因素的权重分别W₁，W₂，W₃和W₄，且ΣW_i=1(i=1, 2, 3, 4)。权重集W=(W₁，W₂，W₃，W₄)，其中：来自新型双向硬密封旋球阀技术风险权重为W₁，W₁=(W₁₁，W₁₂，W₁₃，W₁₄)；来自生产及管理的风险权重为W₂，W₂=(W₂₁，W₂₂，W₂₃，W₂₄，W₂₅，W₂₆)；来自投资风险权重为W₃，W₃=(W₃₁，W₃₂，W₃₃，W₃₄，W₃₅，W₃₆)，来自外界环境的风险权重为W₄，W₄=(W₄₁，W₄₂，W₄₃)。各权重可以根据专家意见或经验数据进行合适的假设。

2.3  模糊判断矩阵建立

根据风险状况，选择若干个评价级组成1个评价集，即：U={优秀、良好、中等、较差、差}。采用专家评分法评价进行，具体过程是：每位专家针对评价风险的各指标打分，打分范围在区间(0～1)之内，且打分总和为“1”。

目前，确定隶属函数的各种方法尚处于依靠经验，从实践效果中进行反馈，不断校正，以达到预定的目标。在很多情况下，用一些常见的分布函数作为隶属函数来近似表达一些模糊变量是最简便的方法。图4所示为进行投入风险模糊化计算可能性分布所用到的三角形隶属函数。

图4  三角形隶属函数

Fig.4  Triangle subjection function

以某一投入风险评价值的均值计算隶属度的公式为^[15]：

根据以上方法，可建立如下模糊判断矩阵：

其中：μ_ij(0≤i≤m；0≤j≤n)是专家对风险指标的评分。

2.4  求各因素评价矩阵

求各因素评价矩阵B_i=W_ij·R_i(0≤i≤m)，并进行归一化处理。

2.5  建立目标矩阵

建立目标价矩阵。

2.6  模糊综合评价

进行模糊综合评价，得到模糊综合评价结果集，即权重向量W与模糊矩阵B的合成所得的模糊子集S为：

S=W·B

由S=W·B得到新型双向硬密封旋球阀开发投入风险评估值，从而可以确定该旋球阀开发投入风险水平值，为对该旋球阀进行合理开发投入抉择提供依据。

2.7  新型双向硬密封旋球阀开发投入项目的风险  评估值

新型双向硬密封旋球阀开发投入项目的风险评估值可表示为：

f=S·X^T

式中：X为评价集所对应的分数向量。评分结果如表1所示。

表1  新型双向硬密封旋球阀开发投入项目风险评分

Table 1  Grade of invest venture for new type rotating ball valve with double direction metal sealing

3  新型双向硬密封旋球阀开发投入风险评估应用实例

采用层次分析法确定权重，经计算可得：W =(W₁，W₂，W₃，W₄)=(0.23，0.25，0.30，0.22)。其中：W₁=(W₁₁，W₁₂，W₁₃，W₁₄)=(0.36，0.20，0.20，0.24)；W₂=(W₂₁，W₂₂，W₂₃，W₂₄，W₂₅，W₂₆)=(0.32，0.16，0.16，0.10，0.16，0.10)；W₃=(W₃₁，W₃₂，W₃₃，W₃₄，W₃₅，W₃₆)=(0.20，0.15，0.20，0.15，0.20，0.20)；W₄=(W₄₁，W₄₂，W₄₃)=(0.36，0.24，0.40)。

根据实际情况，建立如表2所示的某新型双向硬密封旋球阀开发投入风险模糊评判表。

表2  新型双向硬密封旋球阀开发投入风险模糊评判

Table 2  Fuzzy assessment of invest venture for new type rotating ball valve with double direction metal sealing

由表2可知新型双向硬密封旋球阀开发投入风险指标模糊判断矩阵R_i为：

归一化处理后的各因素评价矩阵B_i为：

B₁=(0.336，0.404，0.180，0.080，0)；

B₂=(0.204，0.386，0.284，0.100，0.026)；

B₃=(0.310，0.370，0.215，0.190，0.015)；

B₄=(0.188，0.224，0.236，0.252，0.100)。

模糊综合评价结果集为：

S=W·B=(0.262 6，0.349 7，0.228 8，0.155 8，0.033 0)；

新型双向硬密封旋球阀开发投入项目的风险评估值为：

f=S·X^T=(0.262 6, 0.349 7, 0.228 8, 0.155 8, 0.033 0)× (35，50，65，80，95)^T=57.147 0。

由表1可知：新型双向硬密封旋球阀开发投入项目风险级别为良好。

4  新型双向硬密封旋球阀投入效果验证

新型双向硬密封旋球阀项目投入开发和生产后，其产品与其他同类产品比较，除阀板、阀座均为实体硬密封，在无正向压力而只有反向压力存在以及反向压远大于正向压力的情况下，能很好地密封，并且反向压力越大，密封越良好外，新型双向硬密封旋球阀还有下列优点：

(1) 自适应功能。在杂质滞留或加工、装配精度等因素影响下，当阀门关闭，阀板、阀座密封面重合误差较大时，能自动寻找重合中心，并自动运动至重合中心，完成重合过程，实现良好密封。

(2) 强密封比压。由于阀板与阀座的密封接触面为环线接触，其剖视图为点接触，在正向压力下，介质作用于阀板，在反向压力下，介质作用于阀座，作用点的接触面积为无穷小，因此，作用力很大，形成强大的密封比压，确保实现零泄漏。对于1个中等城市，其供水管网系统漏水损失只要减少1.0%就可每年节水1.5×10⁷ t以上，可减少损失1 000万元以上。

(3) 补偿磨损。当新型双向硬密封旋球阀因长时间使用而导致密封面发生磨损时，由于密封面为线密封，球面与圆锥面作用相当于钝角切削刀具与砧板的作用，在介质压力作用下形成嵌滚压式密封，自动弥合磨损或损伤；当磨损发展为印圈式磨损时，阀板会超越密封位置，形成过关补偿磨损。因此，阀门的密封十分可靠。

(4) 启闭时密封面无磨擦。阀板密封面为球面，而阀杆的转动中心偏离球面中心，当阀门开启时，球面转开时瞬间即脱离接触，阀门关闭时球面瞬间重合。因此，阀板与阀座密封面之间无摩擦，使用寿命长。

(5) 启闭时阀板横截面上投影发生变化。阀门打开时，阀板横截面上投影越来越小，缩小的速度先快后慢；关闭时，阀板横截面上投影越来越大，先慢后快，类似于楔形闸阀。由于缩、胀速度变化适宜，新型双向密封旋球阀效果远优于楔形闸阀的效果。当阀门打开时，阀板横截面上投影向阀门内部后退，后退速度先快后慢；阀门关闭时，阀板横截面上投影向阀外方向前进，前进速度先慢后快，类似于锥形截止阀。由于缩、胀速度的变化适宜，新型双向硬密封旋球阀效果远优于锥形截止阀的效果。可以说，新型双向硬密封旋球阀的功能优于楔形闸阀和锥形截止阀两者的功能。

(6) 节能降耗。阀门总体结构为蝶式结构，阀门流道中仅有一流线形阀板，因而流体阻力很小。例如同口径的截止阀流阻系数为1.8~2.5，而新型双向硬密封旋球阀仅为0.5~1.1，与截止阀相比，介质通过新型双向硬密封旋球阀的流体阻力要下降1/2～2/3，可大大减少能量消耗，按年产2万台测算，则可节电1.5×10⁶ kW?h，年节约近100万元。

(7) 能扒开、切断、碾碎杂质。由于其转动结构和阀板、阀座的密封面为球面对圆锥面，大的固态颗粒在关闭时被扒开，小的固体颗粒被碾碎，长条形杂质颗粒被切断排开，因此，其密封为纯净密封，密封极为可靠。

(8) 主体结构为蝶式，密封面为球面对圆锥面，因此，不但可作为启闭阀门使用，驱动机构为带有测定介质压力、温度、流量的一次仪表并可定位控制的回转机构，是调节线性最强、功能最优良的调节与控制阀门。

(9) 节约材料。阀门的总体结构为蝶式结构，因而长度很短，质量很小，其对夹式阀门为当今世界上体积最小、质量最小、功能最完善的阀门之一，如DN1200的新型双向流硬碰硬密封旋球阀结构长度为350 mm，高度为2.28 m，质量为1.55 t，；同口径的截止阀结构长度为2.25 m，高度为4.60 m，质量为7.2 t；同口径的楔形闸阀结构长度为2.25 m，高度为7.8 m，质量为10.5 t。如按每年生产2万台计算，每年可节约钢材达11~18万t，相当于1个中小型钢铁厂的产量。

总之，新型双向硬密封旋球阀的性能优越，且市场前景十分广阔。新型双向硬密封旋球阀开发投入项目基本上无风险。

5  结论

(1) 采用清晰集构造模糊集方法构造了模糊一致性判断矩阵并计算指标权重，提出了基于模糊层次法的新型双向硬密封旋球阀开发投入风险评价模型。运用该模型对新型双向硬密封旋球阀开发投入项目风险进行量化，只需要项目有关人员和专家给出风险因素的比较判断信息即可，可操作性强。

(2) 新型双向硬密封旋球阀开发投入风险评价结果正确与否，在很大程度上取决于能否科学、客观、综合地反映评价对象整体状况的指标内容、结构及评价标准。新型双向硬密封旋球阀开发投入风险的问题涉及许多方面，因而在实际运用中，建议新型双向硬密封旋球阀开发管理部门选取适当因素建立数据库，开发相应的新型双向硬密封旋球阀开发投入风险评价软件。在实际评价过程中，还可以引入系数，对不同类型的新型双向硬密封旋球阀开发投入进行修正。

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收稿日期：2009-08-08；修回日期：2009-10-21

基金项目：湖南省高等学校科学研究项目(09C594)

通信作者：王志强(1975-)，男，湖南湘潭人，工程师，从事检测信息技术及其工业工程管理研究；电话：13307327680；E-mail: wzqxt@sina.com

(编辑 陈灿华)