机械系统的故障多发是造成各种设备可靠性低的主要原因。国内外由于机械系统故障导致的重大事故屡见不鲜,给国家带来了巨大的经济损失和恶劣的社会影响。为了提高机械系统可靠性、降低机械故障的发生概率,本文以元动作及元动作单元为载体,对机械系统元动作的故障模式、故障原因溯源及故障机理进行了深入系统的研究。基于“机械产品功能是由零件之间的相对运动予以实现的”这一基本思想,对机械系统元动作的故障模式进行了研究。通过理论分析得到了机械系统元动作所有可能的故障模式（称为全故障模式）;根据元动作故障与原因的内在影响关系,对元动作故障分析方法进行了研究;结合元动作故障的相关特征,开发了适合元动作单元的故障溯源方法。针对转动类元动作单元和移动类元动作单元的典型结构组成及运行工况,分别对两类元动作单元工作过程中的主要激励进行了分析及建模。利用数值仿真方法建立了各类元动作单元要素失效与元动作故障模式之间的相关关系（即故障机理）。具体研究内容主要包括以下四个方面:（1）元动作故障模式建模及分析。对元动作及元动作单元的定义等相关概念进行了介绍。在对机械产品进行“功能-运动-动作”分解得到多个元动作单元的基础上,采用成组技术中的“综合零件法”分别建立了转动类元动作单元标准结构模型和移动类元动作单元标准结构模型。基于该标准结构模型对元动作单元组成要素进行了分析。根据可靠性经典定义及元动作运动特性,对元动作的故障、故障模式及故障原因进行了定义。从满足机械产品功能及性能要求的角度出发,对元动作件运动参数进行了分析,得到评价元动作可靠性的运动性能参数。结合元动作单元的组成结构,建立了元动作单元输出件的运动学模型。基于元动作故障定义和数学排列手段,分别给出了转动类元动作和移动类元动作的所有潜在故障模式。通过工程实例验证了元动作故障模式的合理性和实用性。（2）元动作故障原因分析及溯源方法。在建立元动作单元动力学模型的基础上,利用因果序方法建立了元动作故障与元动作单元基础参数之间的映射矩阵;从元动作运动正常实现的充要条件出发,对元动作全故障原因进行了分析。根据元动作“故障取决于基础参数、基础参数决定于原因”的特点,提出了元动作的“故障-参数-原因”（Failure-Parameter-Cause,FPC）分析方法。基于元动作故障的FPC模型,针对元动作精确故障数据难以获得且故障信息具有多源性等特点,提出了BWM-DST（Best Worst Method,Dempster-Shafer Theory）的元动作故障溯源方法。最后通过在企业中的实际应用案例对提出的故障原因分析及溯源方法的有效性进行了验证。（3）转动类元动作故障机理建模及分析。运动零件质量偏心是诱发转动类元动作故障的主要因素。在对转动类元动作单元组成要素分类和工况载荷分析的基础上,得到了转动元动作单元要素的主要失效模式（即元动作故障原因）及单元激励。基于赫兹接触理论和动力学理论等相关知识,分别针对不同中间件的各类失效模式,建立了中间件裂纹、缺陷、磨损等激励模型;根据不同部位紧固件对转动元动作运动的差异作用,分别建立了不同类别紧固件松动的激励表征。利用数值模拟方法对转动类元动作单元在各类失效激励下的响应进行了分析。通过对比正常转动类元动作单元的响应,结合转动类元动作各类故障模式判据,得到了转动元动作故障模式与转动元动作单元不同要素的各类失效模式之间的影响关系。（4）移动类元动作故障机理建模及分析。中间件磨损是导致移动元动作故障的主要原因。在对移动类元动作单元组成要素分类和工况载荷分析的基础上,得到了移动元动作单元要素的主要失效模式及单元激励。针对移动元动作单元磨损区域的具有随机性的特点,采用概率分布与几何建模相结合的方法建立了中间件磨损的激励模型;结合移动元动作单元中紧固件的分布特点,建立了移动元动作单元紧固件松动的激励表征。利用数值模拟方法对移动类元动作单元在各类失效激励下的响应进行了分析。通过对比正常移动类元动作单元的响应,结合移动类元动作各类故障模式判据,得到了移动元动作故障模式与移动元动作单元中间件磨损和紧固件松动之间的影响关系。