级联往复式空压机是船舶所需几十兆帕高压空气的来源,具有功率密度大、振动大、结构磨损大、易发故障等特点。随着IMO对船舶振动噪声和安全要求愈加严苛,级联往复式空压机的振动抑制和故障诊断成为突出问题。论文针对国外技术封锁,国内尚无级联往复空压机振动分析及抑制技术和公开的研究资料现状,开展了级联往复空压机复杂激励源和传递途径分析研究,揭示了空压机轴系扭振与机体振动的耦合关系,提出了通过设计手段抑制空压机振动的方法,给出了空压机气路故障的诊断方法,具体研究与创新工作如下:在传统往复空压机动力学分析中,轴系转速被处理成时刻均匀且为定值,这难以反映往复式空压机轴系及其驱动的往复机构的实际运动状态,事实上,往复空压机轴系转速是时刻波动的。论文深入分析了空压机脉动气体激励和往复、旋转不平衡激励共同形成的脉动扭矩作用在弹性轴系上产生的轴系扭转振动（含滚振）,指出扭振扭角微分后即成为转速瞬时波动,进而指明瞬时转速及其波动直接影响曲轴连杆运动及活塞拍击运动。基于这一分析,提出了轴系扭振-瞬时转速-曲轴-连杆-活塞拍击动力学模型,获得了计入扭振影响的活塞拍击复杂运动规律,进而更加精确计算了空压机的振动响应。设计搭建了单级往复空压机试验装置,试验结果验证了动力学模型的精确性,振动测试结果表明:论文提出计入瞬时转速的空压机振动计算模型和方法较传统模型和方法,振动预测精度大幅提高。在明确了往复式空压机瞬时波动转速与轴系扭振时域扭转角的微积分关系后,基于建立的轴系扭振-瞬时转速-曲轴-连杆-活塞拍击动力学耦合模型,提出了基于轴系扭转振动优化的缸壁振动抑制方法。基于动柔度结构优化原理,明确了弹性联轴器动力学参数与优化目标的解析关系,获得了精确的扭振优化参数。通过台架试验证明了优化方法的正确性与扭转振动优化对缸壁振动抑制的有效性,并在理论上探讨了曲柄-连杆-活塞机构等效转动惯量随曲轴转角实时变化这一时变特征对扭转振动优化目标的影响。级联往复式空压机运动机构复杂,机身的不同测点振动轴频及其倍频相位差异明显,增加了机组整体平衡设计的难度。基于此,本文提出了一种以多目标振动幅值1范数最小为控制目标的综合平衡方法,并给出了目标个数小于5时最优解的解析表达式,对于目标个数大于等于5的情况,给出了一种四方向变步长寻优算法,通过级联往复式空压机的现场动平衡试验证明了该平衡方法的有效性。该方法以1范数为目标,发展了以无穷范数和2范数为目标的现有多目标动平衡体系。级联往复式空压机机组支撑结构由空压机一端的挠性支撑与电机一端的刚性支撑共同组成,机身振动经由多条路径传递至基脚,论文建立了多输入-单输出的振动传递模型,对不同方向多条路径下振动传递过程中的频率分布特性进行了分析,明确了机组运行状态下不同方向上振动向基脚传递过程中的传递规律和耦合特性。通过辐射噪声信号对级联往复式空压机高压出口管路法兰盘漏气故障进行了故障特征的提取,该特征表现为故障频率幅值的异常增大和部分健康频率幅值的异常下降,基于该特征提出了一种以特征频带内能量比为诊断指标的故障诊断方法。旋转式压气机发生喘振时既有明显的故障频率,叶频噪声也会显著降低,因此可以将所提故障诊断方法应用于旋转式压气机喘振故障的诊断中,对比分析表明,本文所提故障诊断方法相较于常用时域或频域诊断方法具有更高的故障灵敏度。