机械故障诊断与状态监测(以下统称机械故障诊断)是适应现代机械发展潮流的一门新兴学科，它以判断故障种类、评估系统状态和预测故障或状态的发展趋势为主要目的，在提高设备的安全性和稳定性方面具有举足轻重的地位。机械故障诊断涵盖了机械学、摩擦学、动力学、信号分析与处理、测试技术、系统辨识等众多学科领域，是一个在多学科共同支撑的条件下发展起来，并具有十分广阔诱人发展前景的科研领域。 机械故障诊断主要包括三方面内容：信息获取、特征提取和模式识别。其中，特征提取主要指信号分析与处理，它是机械故障诊断中最关键、最核心、难度最大、理论性最强的一个环节，并且从根本上决定故障诊断的水平。因此，对机械故障诊断中的特征提取展开研究具有重要的理论意义和实际意义，也是故障诊断进一步发展的迫切需要。 本文首先对机械故障诊断的特征提取概念进行了扩展，将其研究内容进行了分类，继而选取特征提取中若干典型问题进行了深入、细致的研究和探讨，主要完成的工作如下： (1)裂纹转子故障的动力特性和特征提取方法的研究。指出了呼吸裂纹的开关函数具有相位调制特点，研究了开关函数对裂纹转子动力特征的影响，得出了呼吸裂纹的开闭运动至少导致了振动响应中存在工频的三次和五次谐波分量这一结论，并由此得出了识别裂纹种类的方法。根据裂纹的局部化特征，建立了质量离散化动力学模型，分析了相对裂纹不同位置处振动响应的差异，进而提出利用多传感器检测转子振动信号，并根据各信号间的差异判断裂纹是否产生及裂纹所处的大致位置的新方法，基于此，提出了基于POC曲线及其瞬时频率的方法，数值仿真和实验分析验证了方法的有效性。分析了带有裂纹轴的齿轮耦合系统的扭转振动特性，分析了两齿轮轴扭转振动对裂纹的敏感程度，分析了裂纹诱发的振动分量在两齿轮轴的分配情况，及转速、传动比对两齿轮轴的影响，研究所得结论对于带有裂纹轴的齿轮系统的故障诊断具有一定的参考价值。 (2)轴心轨迹特征提取方法的研究。将轴心轨迹表示为复值过程，分析了轴心轨迹复值过程的频域特性。证明了轴心轨迹复值过程的高阶累积量能够有效抑制复值高斯噪声、实虚部相关和非相关噪声。提出并详细讨论了高阶累积量谱的工频切片和半工频切片，给出了利用高阶累积量谱对轴心轨迹进行特征提取的具体算法，并验证了算法的有效性。而且，基于高阶累积量谱的工频切片和半工频切片方法同时具有对轴心轨迹的提纯和特征提取的功能，这是已有方法均不具备的。 (3)混沌信号内在特征的研究。介绍了已有的混沌特征，发现除混沌信号频谱具有连续谱段这一特点之外，少有从信号分析角度讨论混沌信号特征的研究，因此，利用各种信号分析方法，基于杜芬方程对混沌信号内在特征进行了系统的分析。得到混沌信号频谱结构的一些新特点及其随系统参数的变化进行演化的规律，并发现混沌信号中多存在“依附”频率。分析了混沌信号的时变特征。发现了混沌信号中同时存在稳定的和非稳定的谐波成分，而且非稳定谐波成分具有随机性特点。分析了混沌信号的瞬时频率特征，分析结果表明，混沌信号频谱中连续谱段的整体结构具有一定的时变规律。利用复解析小波对混沌信号进行了分析，发现了混沌信号中“依附”频率信号具有幅值、相位、瞬时频率的时变性，同一混沌信号的不同“依附”频率信号的幅值、相位、瞬时频率的时变特点具有很强的相似性，定义为混沌信号的调制相似性。由调制相似性，讨论了具有“依附”频率的混沌信号的奇怪吸引子的结构特点，得出了T变换映射点具有区域集中性和奇怪吸引子具有不同区域局部形状相似性这两个特点。发现了一种新的混沌现象，即在系统各参数不变的情况下，系统响应只经短暂混沌运动便进入长久稳定的周期运动。 (4)信号中周期性奇异和周期性冲击响应成分特征提取方法的研究。提出了分析周期性奇异和冲击响应的理论依据。提出了对周期性奇异成分进行特征提取的变异高阶谱和倒变异高阶谱方法。分析了已有提取冲击响应的方法的局限性，提出了基于实测脉冲响应构造基函数的方法，进而提出了对周期性冲击响应进行特征提取的新方法一周期序列变换，该方法同时具有提取冲击响应成分和计算冲击响应出现的周期的功能。设计了实验，验证了以上提出的各种方法的有效性。 (5)基于实验的转子碰摩故障特征提取方法的研究。与以往不同，本文考虑了静子振动信号的特征。利用变异高阶谱和倒变异高阶谱方法对转子碰摩故障进行了分析。根据转子碰摩故障特点和传感器布置情况，对基于实测脉冲响应的周期序列变换方法进行了局部的调整，并对转子和静子振动信号进行了细致分析，分析结果表明所用方法可有效提取故障的特征，而且分析结果可信度较高。将瞬时功率方法引入转子碰摩故障的分析，分析结果反映出碰摩导致转静子振动信号的瞬时功率具有周期性突变的特点。基于实测脉冲响应对转静子进行了载荷识别，识别结果能够反映出碰摩力的周期性出现的特点。提出了识别碰摩力方向(静子碰摩位置)的转动坐标投影方法，并通过了实验验证。