滚动轴承作为旋转机械的关键部件,其健康状态是决定机械安全运行的重要因素之一。在很多工程实际中,轴承通常处于一定范围内的转速波动中,变转速工况下的调频、调幅、调相等效应使传统基于频谱分析的故障诊断策略失效,因此如何将时变故障信息有效地提取出来是变转速工况下轴承故障诊断的关键问题之一。在此背景下,本文首先分析了不同诊断方法的特点和变转速工况下轴承故障信号的特点,针对轴承两种不同的工作环境,提出了相应的故障诊断方法。具体研究内容包括:(1)针对便于安装键相信号采集装置的工作环境,根据键相信号计算被测轴实时转速并绘制被测轴瞬时转频曲线;通过轴承几何尺寸计算轴承内、外圈故障特征系数并绘制内、外圈时变故障特征频率曲线。计算基于同步提取变换的时变幅值解调谱并将时频曲线与轴承内、外圈时变故障特征频率曲线相匹配,进而识别故障类型。(2)针对不便于安装键相信号采集装置的工作环境,将基于Viterbi算法的瞬时频率估计算法应用到轴承振动信号中;对瞬时频率估计算法的有效性进行了实验验证;计算基于同步提取变换的时变幅值解调谱并将时频曲线与轴承内、外圈故障特征频率相匹配,进而识别故障类型。(3)采用单自由度质量弹簧阻尼模型的振动响应模拟幅值解调的仿真信号,通过设置故障引起的冲击个数进行叠加生成定信号长度、定冲击个数的仿真信号并对以上方法进行验证,且分别进行不同方法和不同信噪比工况的对比验证。(4)通过旋转机械振动及故障模拟实验台模拟易于安装键相信号采集装置的工况,对基于键相信号和同步提取变换的故障诊断方法进行验证;通过高铁轴承综合实验台模拟不便于安装键相信号采集装置的工作环境,对基于瞬时频率估计和同步提取变换的故障诊断方法进行验证,并与传统方法的诊断效果进行对比验证。论文所提出的两种轴承故障诊断方法及分析结果,为变转速工况下轴承的健康状态监测和精密故障诊断提供了新的思路,具有一定的理论和应用价值。