活塞发动机在车辆、船舶、工程机械、应急发电等领域有着广泛的应用,是核心动力输出设备。活塞发动机结构复杂、零部件多、运行工况恶劣,其机械故障频发;典型故障模式包括气门磨损、连杆轴瓦磨损、轴系不对中、拉缸等。由于当前活塞发动机状态监测诊断技术及应用水平相对较低,其机械故障难以进行有效检测、预警,易造成恶性事故,如连杆断裂、曲轴断裂等,将严重影响设备稳定运行与企业安全生产,带来严重的直接、间接经济损失。因此,开展活塞发动机典型机械故障机理和在线检测方法研究,对保障机组安全、可靠与高效运行,避免恶性事故发生具有重要意义。本文以活塞发动机的三类关键且易损的运动部件为研究对象,包括气门、连杆轴承与曲轴轴系,针对部件在高爆压燃烧冲击力、往复与离心惯性力的作用下,长期承受交变与强冲击载荷的特点,基于机械动力学与流体动压润滑原理,开展故障机理、信号分析与检测方法研究。主要研究工作包括:首先,围绕气门间隙异常故障,构建气门机构的动力学模型,开展故障机理仿真研究。动力学仿真与实验结果证明,气门落座振动冲击的起始时刻对气门间隙变化敏感且不受工况影响。进而针对该故障特征,提出一种基于能量算子梯度邻域的振动冲击起点自适应精确提取方法,可准确检测气门间隙状态,在线跟踪间隙磨损衍变,克服了传统阈值判断方法自适应性差和鲁棒性差的问题。其次,针对连杆轴承磨损故障,开展润滑模型构建与优化研究。针对强冲击载荷作用下轴瓦材料粘弹性变形的时滞特性,基于粘弹性本构方程（Kelvin或标准线性固体模型）和有限元法构建了轴瓦的时序关联变形方程,修正了油膜厚度与微观粗糙峰接触压力的计算方法,从而建立了一种新的混合粘弹流润滑模型。相比现有的混合弹流润滑（MEHD）模型,新模型突破了完全弹性假设限制,能够准确分析轴瓦材料时滞变形与微观润滑流场的动压、挤压和伸缩效应之间的耦合作用,可提前识别粗糙碰磨和膜压快变等冲击特征。然后,将新的混合粘弹流润滑模型应用于活塞发动机连杆轴承磨损衍变机理研究。针对连杆大头瓦的不同润滑状态,耦合曲柄连杆机构动力学模型,构建了多空间和时间尺度自适应调整的大头瓦润滑机理模型,开展了润滑特性和磨损故障仿真研究;结果表明:连杆大头瓦磨损后,将在活塞下止点位置产生振动冲击。故障模拟实验验证了仿真结论的准确性,为连杆大头瓦磨损故障在线检测提供依据。最后,针对曲轴轴系不对中故障,基于轴系与轴承结构耦合的形态特征,构建了一种轴系径向振动均值与不对中量之间的映射机理模型。基于该模型,围绕活塞发动机结构紧凑、振动信号干扰强烈的特点,提出了轴系不对中在线定量检测方法,可实时计算不对中的数值与方向,且不受运行工况影响,克服了传统基于振动频率特征的检测方法在定量诊断、不对中方向判断等方面的不足。进一步,搭建了柴油机六自由度靶向自愈调控实验台,提出了一种轴系不对中自愈调控方法,并基于多系统联合仿真验证了方法的有效性。本文研究具有明确的工程背景和迫切的现实需求,研究成果进一步揭示了活塞发动机典型机械故障机理,形成了关键运动部件常见故障检测方法,为活塞发动机故障监测诊断技术的实际应用奠定了坚实基础。