本发明涉及机械设备健康状态评估及故障诊断，尤其是指一种滚动轴承多点故障动力学建模和振动响应分析方法、系统。
背景技术：
1、滚动轴承(rollingbearing)是将运转的轴与轴座之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，从而减少摩擦损失的一种精密的机械元件。滚动轴承在工业旋转机械中应用广泛，起着承载、动力传递等重要作用，对于机械设备的平稳运行至关重要。然而，滚动轴承的工作环境往往十分恶劣，高转速、高载荷使得其容易发生故障，严重时更会造成设备失效，引发重大事故，威胁生命财产安全。因此，对滚动轴承的故障诊断显得尤为必要。
2、在对滚动轴承的故障诊断过程中，对具有局部缺陷的滚动轴承进行动力学建模和振动分析，可以对分析故障成因、揭示故障状态中系统动力学参数与响应信号的内在联系提供理论基础，从而实现对滚动轴承的故障诊断。然而，目前对于滚动轴承的动力学分析往往只考虑轴承发生单点故障的情况，对实际运转中发生轴承多点故障时的动力学特性缺乏深入探究，因此现有方法无法真实地模拟轴承工作过程中的实际工况，致使多点故障轴承的振动分析缺乏理论基础，故障分析准确性低。
技术实现思路
1、为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种滚动轴承多点故障动力学建模和振动响应分析方法、系统，可以准确模拟滚动轴承的振动机理，适用于轴承在不同故障类型和故障尺寸下的振动响应，为轴承振动响应分析提供理论基础，提高对滚动轴承故障分析的准确性，为数据驱动的滚动轴承智能故障诊断提供多点故障数据样本。
2、为解决上述技术问题，本发明提供了一种滚动轴承多点故障动力学建模方法，包括：
3、计算轴承总体接触刚度、滚动体与滚道的接触力，构建轴承健康状态的动力学模型；
4、通过半正弦函数描述滚动体经过局部故障时的时变位移激励，建立具有多点局部故障的轴承动力学模型。
5、进一步地，所述轴承总体接触刚度的计算方法为：
6、根据轴承与内外滚道的接触刚度计算轴承总体接触刚度为：
7、kb＝1/[(1/ko)2/3+(1/ki)2/3]3/2；
8、式中，kb为轴承总体接触刚度，ko为外滚道的接触刚度，ki为内滚道的接触刚度；
9、ko和ki的计算方法为：
10、kn＝2.15×105×(∑ρ)-1/2(nδ)3/2(n＝i,o)；
11、式中，∑ρ为滚动体和滚道接触副的曲率和；nδ为接触位移量。
12、进一步地，所述滚动体与滚道的接触力的计算方法为：
13、计算第j个滚动体与滚道之间的接触力为：
14、
15、式中，fj为第j个滚动体与滚道之间的接触力，kb为轴承总体接触刚度，εj为判断函数，γj为第j滚动体和滚道之间的接触变形；
16、所述判断函数的计算方法为：
17、
18、式中，δ为轴承游隙；
19、所述第j滚动体和滚道之间的接触变形的计算方法为：
20、
21、式中，x1表示内圈水平方向位移，y1表示内圈垂直方向位移，x2表示外圈水平方向位移，y2表示外圈垂直方向位移，θj为第j个滚动体的角位置；
22、所述第j个滚动体的角位置的计算方法为：
23、
24、式中，nb代表滚动体的个数，ωc表示滚动体公转角速度，t表示时间，θ0表示第j个滚动体初始角位置；
25、所述滚动体公转角速度的计算方法为：
26、
27、式中，ω表示转轴角速度，d为滚动体节圆直径，dm为轴承节圆直径，α为接触角。
28、进一步地，所述构建轴承健康状态的动力学模型，包括：
29、考虑轴承内圈、外圈在水平方向和垂直方向的运动，根据牛顿第二定律建立正常轴承动力学模型为：
30、
31、式中，m1表示内圈的质量，m2表示外圈的质量，c1表示转轴与轴承的阻尼，c2为轴承座的阻尼，k1表示转轴的刚度，k2表示轴承座的刚度，w表示径向载荷，fx为所有滚动体与滚道接触产生的水平方向的总的接触力，fy为所有滚动体与滚道接触产生的垂直方向的总的接触力，x1表示内圈水平方向位移，y1表示内圈垂直方向位移，x2表示外圈水平方向位移，y2表示外圈垂直方向位移，表示内圈水平方向加速度，表示内圈水平方向速度，表示内圈垂直方向加速度，表示内圈垂直方向速度，表示外圈水平方向加速度，表示外圈水平方向速度，表示外圈垂直方向加速度，表示外圈垂直方向速度；
32、所述所有滚动体与滚道接触产生的水平方向的总的接触力、所有滚动体与滚道接触产生的垂直方向的总的接触力的计算方法为：
33、
34、进一步地，所述通过引入半正弦函数描述滚动体经过局部故障时的时变位移激励，包括：
35、建立单点局部故障下滚动体的最大位移激励为：
36、
37、式中，hmax为单点局部故障下滚动体的最大位移激励，l为故障宽度；
38、当滚道发生k个故障时，建立第j个滚动体经过缺陷时的时变位移激励函数为：
39、
40、式中，hjk为当滚道发生k个故障时第j个滚动体经过缺陷时的时变位移激励，θs为故障角宽度，θtk为第k个故障所处的方位角；
41、所述故障角宽度的计算方法为：θs＝l/rn，rn为滚道的半径；
42、所述第k个故障所处的方位角的的计算方法为：
43、
44、式中，w为转轴角速度，t为时间，θk0为第k个故障所在初始角度；
45、建立多点局部故障下第j滚动体和滚道之间的接触变形为：
46、
47、式中，γj'为多点局部故障下第j滚动体和滚道之间的接触变形。
48、进一步地，所述建立具有多点局部故障的轴承动力学模型，包括：
49、添加两自由度的单位质量的谐振器模拟损伤轴承运转时激起的高频固有振动，建立具有多点局部故障的轴承动力学模型为：
50、
51、式中，m3表示谐振器质量，x3表示谐振器水平方向运动的位移，y3表示谐振器垂直方向运动的位移，c3表示谐振器的阻尼，k3表示谐振器水平与垂直方向刚度，表示谐振器水平方向加速度，表示谐振器水平方向速度，表示谐振器垂直方向加速度，表示谐振器垂直方向速度。
52、本发明还提供了一种滚动轴承多点故障动力学建模系统，包括：
53、轴承健康状态动力学模型构建模块，用于计算轴承总体接触刚度、滚动体与滚道的接触力，构建轴承健康状态的动力学模型；
54、多点局部故障的轴承动力学模型构建模块，用于通过引入半正弦函数描述滚动体经过局部故障时的时变位移激励，建立具有多点局部故障的轴承动力学模型。
55、本发明还提供了一种滚动轴承多点故障振动响应分析方法，包括：
56、使用所述的滚动轴承多点故障动力学建模方法建立具有多点局部故障的轴承动力学模型，
57、在所述多点局部故障的轴承动力学模型下，利用包络分析、相位轨迹及lempel-ziv复杂度算法探究不同故障数量、不同故障角度间隔对滚动轴承动力学特性的影响。
58、进一步地，在所述多点局部故障的轴承动力学模型下，利用包络分析、相位轨迹及lempel-ziv复杂度算法探究不同故障数量、不同故障角度间隔对滚动轴承动力学特性的影响，包括：
59、采用轴承故障模拟试验台进行实验，获得多点故障实验信号；使用ode45求解器求解所述多点局部故障的轴承动力学模型，获得多点故障仿真信号；
60、通过傅里叶变换和希尔伯特变换获得多点故障实验信号和多点故障仿真信号的包络频谱，对多点故障实验信号和多点故障仿真信号之间的包络频谱特性进行定性比较；
61、比较不同故障数量和不同故障角度间隔对滚动轴承故障信号包络谱特征、相位轨迹、信号复杂度带来的变化，得到故障间隔角度大小与轴承故障信号复杂度的内在关系。
62、本发明还提供了一种滚动轴承多点故障振动响应分析系统，包括：
63、轴承健康状态动力学模型构建模块，用于计算轴承总体接触刚度、滚动体与滚道的接触力，构建轴承健康状态的动力学模型；
64、多点局部故障的轴承动力学模型构建模块，用于通过引入半正弦函数描述滚动体经过局部故障时的时变位移激励，建立具有多点局部故障的轴承动力学模型；
65、振动响应分析模块，用于在所述多点局部故障的轴承动力学模型下，利用包络分析、相位轨迹及lempel-ziv复杂度算法探究不同故障数量、不同故障角度间隔对滚动轴承动力学特性的影响。
66、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下有益效果：
67、本发明以滚动轴承为研究对象，在构建轴承健康状态的动力学模型的基础性下，通过半正弦函数描述滚动体经过局部故障时的时变位移激励从而建立具有多点局部故障的轴承动力学模型，可以准确地模拟滚动轴承的振动机理，适用于轴承在不同故障类型和故障尺寸下的振动响应，为轴承振动响应分析提供理论基础，提高对滚动轴承故障分析的准确性，为数据驱动的滚动轴承智能故障诊断提供多点故障数据样本。
1.一种滚动轴承多点故障动力学建模方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的滚动轴承多点故障动力学建模方法，其特征在于：所述轴承总体接触刚度的计算方法为：
3.根据权利要求2所述的滚动轴承多点故障动力学建模方法，其特征在于：所述滚动体与滚道的接触力的计算方法为：
4.根据权利要求3所述的滚动轴承多点故障动力学建模方法，其特征在于：所述构建轴承健康状态的动力学模型，包括：
5.根据权利要求4所述的滚动轴承多点故障动力学建模方法，其特征在于：所述通过引入半正弦函数描述滚动体经过局部故障时的时变位移激励，包括：
6.根据权利要求5所述的滚动轴承多点故障动力学建模方法，其特征在于：所述建立具有多点局部故障的轴承动力学模型，包括：
7.一种滚动轴承多点故障动力学建模系统，其特征在于，包括：
8.一种滚动轴承多点故障振动响应分析方法，其特征在于，包括：
9.根据权利要求8所述的滚动轴承多点故障振动响应分析方法，其特征在于：在所述多点局部故障的轴承动力学模型下，利用包络分析、相位轨迹及lempel-ziv复杂度算法探究不同故障数量、不同故障角度间隔对滚动轴承动力学特性的影响，包括：
10.一种滚动轴承多点故障振动响应分析系统，其特征在于，包括：
