飞轮轴承是航天器姿态控制系统的关键执行器，其健康状况直接影响卫星平台的在轨可靠性[1]、[2]、[3]。故障案例的统计数据显示，笼体的动态不稳定性和异常界面摩擦是导致空间轴承故障的主要因素[4]。这类故障会在滚动元件和笼体之间引起刮擦，导致碎片积累和运行不稳定的恶性循环。随着故障的发展，它会导致系统输出扭矩和速度的显著波动，最终导致飞轮性能下降甚至完全失效[5]、[6]。因此，研究故障飞轮轴承的动态响应并揭示故障机制至关重要。
明确飞轮轴承的故障响应和动态特性为改进设计和运行诊断提供了必要的基础[7]、[8]、[9]。实际上，已经进行了大量关于飞轮轴承动态的研究[10]、[11]。Wang等人[12]提出了一个改进的非线性动态模型，用于考虑预加载条件、表面波纹、赫兹接触和润滑等因素的转子系统（ACBBs）。Gao等人[13]开发了一个全面的轴承动态模型，重点研究用于航天器ACBBs的自润滑笼体的稳定性和打滑特性。Wu等人[14]研究了飞轮转子系统的动态力传递性，考虑了周期性基础运动和ACBBs的非线性支撑刚度。Zhang等人[15]基于控制力矩陀螺轴承在时变扭矩条件下的仿真分析模型，分析了力矩响应时间、轴向预加载和工作温度对动态特性的影响。虽然这些详细的动态模型有效地揭示了飞轮轴承系统的动态特性，但它们没有研究故障条件下的响应和机制。
构建故障动态模型是研究轴承故障机制的常用方法。多年来，许多学者对轴承故障的动态分析给予了高度重视，提出了各种有效的故障模型[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。Jiang等人[21]建立了一个全面的动态模型，充分考虑了轴承的平移和旋转运动，以及滚动元件和笼体口袋之间的相互作用。Qin等人[22]使用B样条拟合激励函数来表示滚道缺陷引起的激励。Cao等人[23]提出了一个新模型，其中基于滚子、笼体、内圈和外圈的瞬时位置，对滚子与缺陷滚道之间的接触进行了建模。Qin等人[24]考虑了局部缺陷和笼体运动对内圈滚道加速度响应的影响。Zhang等人[25]为内圈和外圈剥落故障提出了一个时变位移激励函数，模拟了自然退化条件下滚道缺陷的不规则表面模型。Wang等人[26]基于分段函数引入了一个新的时变位移激励模型，分析了球通过偏移和偏置缺陷的过程，同时考虑了内圈错位。Zhang等人[27]通过结合缺陷大小和旋转速度，为有缺陷的滚动元件开发了一个具有时变特性的冲击力函数。Liu等人[28]为有非贯穿裂纹缺陷的圆柱滚子轴承建立了一个等效刚度模型，并研究了故障大小和倾斜角度对振动特性的影响。上述研究的故障类型主要集中在局部缺陷上，如内/外圈的剥落、点蚀和表面裂纹，而与笼体相关的故障机制则相对较少被探索。
目前，关于笼体故障动态的研究主要集中在两个方面：滑移和稳定性[29]、[30]、[31]、[32]。Chen等人[33]通过将笼体离散成几个部分并建立考虑笼体柔性的动态模型，揭示了打滑特性。Wang等人[34]从冲击和摩擦的角度研究了笼体不稳定性，基于一个考虑了整体滑移以及球和滚道、笼体及导向表面之间相互作用的动态模型。Ma等人[35]彻底考虑了笼体与其他组件之间的几何相互作用和速度，并使用切片方法推导了变形笼体与导向环之间的相互作用。Fang等人[36]提出了一个新的圆柱滚子轴承动态模型，可以有效模拟笼体支柱断裂和滚道缺陷。这些方法为研究飞轮笼体刮擦故障机制提供了宝贵的见解和参考。
在飞轮轴承系统中，笼体和球之间的刮擦和异常摩擦是常见的故障类型[37]、[38]。然而，从故障特征和诊断的角度对这些故障的研究很少，这对健康状态识别构成了重大挑战。首先，故障位置和类型的变化导致特征频率成分的分布不同。其次，飞轮系统的独特结构结合高速和轻载运行条件，进一步增加了故障发展的复杂性。因此，迫切需要对飞轮轴承中的球笼刮擦故障进行更深入的机制分析。
鉴于此，本文通过构建非线性故障动态模型，研究了飞轮轴承中球笼刮擦的动态响应和故障特性。首先，考虑预加载条件、赫兹接触和弹性流体动力润滑，迭代求解轴承载荷分布分析。随后，引入时变脉冲激励来模拟刮擦故障，为开发非线性动态模型奠定基础。然后通过振动响应分析阐明故障特性，并通过实验进行验证。此外，利用验证的故障动态模型，详细讨论了径向/轴向载荷、笼体旋转、故障幅度等因素的影响，揭示了这些因素对故障特征的影响规律。最后，将获得的故障特征及其模式应用于识别飞轮轴承整个寿命期间的健康状态。
内容安排如下。第2节建立了飞轮轴承中球笼刮擦故障的非线性动态模型。第3节通过数值模拟获得动态响应和故障特性，随后通过飞轮系统的振动测试验证故障机制。第4节研究了径向/轴向载荷、笼体旋转和故障幅度对故障特性的影响。第5节基于故障特性和模式的分析，对飞轮轴承的寿命数据进行了特征分析和健康状态识别。最后，第6节总结了本文的结论。
