采矿、冶金、制造、工程建设等国家经济建设重点领域中的大功率高耗能重型设备,如矿山机械、连轧机、注塑机、大型盾构机等,无不是集机、电、液和控制于一体的多能量域耦合机电液系统。作为系统中的核心动力与执行元件,轴向柱塞泵/马达极端工况下表现出的效率下降、性能退化、非线性动力学特征明显等问题,严重制约了设备向高压、高速、高精度等方向发展。本文在建立柱塞泵/马达全耦合动力学模型基础上,从耦合界面动力学行为上对压力脉动加剧、效率下降等性能退化现象的机理进行了分析。研究满足学科基础理论和工程实际的迫切需求,主要工作如下:针对柱塞设备传统动力学模型普遍存在恒压力、定转速等假设条件,缺乏对全耦合特性的综合分析能力,提出了一种数组键合图建模方法,建立了柱塞设备键合图模型,进行了柱塞-滑靴子系统摩擦学与动力学解耦分析,定义了能量损耗因子,最终导出柱塞设备全耦合动力学模型。研究结果表明,稳态下柱塞惯性力产生的库伦摩擦力总体上不损耗能量,所定义的能量损耗因子表征了柱塞-滑靴子系统能量转换过程中的损耗程度。为降低模型刚性比,提高解算效率,提出了无量纲化的模型处理方法,建立了柱塞泵参数化仿真模型,揭示了全耦合动力学特性。研究结果表明,柱塞腔流量倒灌与射流是导致流量脉动加剧的主要原因;高压高速下流量脉动加剧,柱塞腔压力冲击明显,柱塞副库伦摩擦力变化剧烈。全耦合动力学分析结果与已有研究结果吻合,模型有效性和正确性得到了验证。根据内泄和流量冲击随运行参数的变化规律,揭示了柱塞马达流量与压力脉动机理。研究结果表明,流量脉动随转速的升高而加大,压力脉动随转速的升高而减小,流量与压力脉动随压力的升高而加大。压力脉动仿真结果与实验结果吻合较好,机理分析的合理性和模型的准确性得到了验证。为实现模型降维简化,提炼用于参数识别的能量损耗估计模型,提出了基于功率构成分析的模型降维简化方法,将作为中间能量传递环节的柱塞腔子系统归纳为单纯的能量损耗单元。研究结果表明,简化模型与全耦合模型阶跃响应变化趋势基本吻合。实验结果表明:基于能量损耗估计模型识别出的系统参数取值合理;油液压缩和库伦摩擦是极端工况下柱塞设备能量损耗加剧的主要影响因素。提出基于正反问题相结合的柱塞设备效率特性建模方法,建立柱塞泵流量与转矩损失机理模型,分析系统参数非线性变化规律,确立复合参数经验公式,最终导出柱塞泵效率特性半经验参数化模型。研究结果表明:复合参数经验公式有效体现了油液有效体积弹性模量、库伦摩擦因数等系统参数非线性变化规律;柱塞泵效率下降以及容积效率和机械效率无法再次提升的根本原因是系统参数的急剧变化。理论分析与试验研究结果表明:极端工况下正常柱塞设备性能退化现象的产生是故障萌生与扩展的动力学内因;性能退化以及故障萌生的本质是环境与工况因素影响下系统参数或结构参数发生了变化;全耦合动力学模型为深入分析与评价柱塞设备综合性能提供了理论基础,有效利用压力脉动、能量损耗等运行状态信息,可为基于动力学正反问题相结合的柱塞设备性能退化以及故障演化定量分析提供理论支持。