微弱信号检测是机械故障诊断中一项关键技术,它的成熟应用不仅可以及时准确地检测出设备故障,更重要的是可以避免不必要的经济损失和人员伤亡。随机共振理论、Duffing振子等非线性信号处理方法虽然已经得到广泛、深入的研究,但其工程应用仍然受到一定制约条件的限制。因此本文以双稳随机共振系统为研究对象,探讨随机共振工程应用的制约条件,并研究解决这一限制条件的方法,以实现基于随机共振理论的信号检测方法在早期机械故障诊断中的进一步应用。这也是本课题研究的主要目的。参数调节法、变尺度法等大参数信号随机共振检测方法,虽然能够克服经典随机共振理论中的小参数制约条件,但是对于低采样频比信号的处理仍然存在一定的缺陷。采样频比定义为采样频率与信号特征频率的比值。一般来说,信号采样频比需要大于50,才能保证随机共振检测方法具有较好的检测性能。而且,为了使随机共振系统具有最大输出信噪比,还需要对系统参数进行调节。而系统调节会同时影响到势函数势垒和势阱间距的变化,这不利于直观分析势函数变化对随机共振系统的影响。为了解决以上两个问题,本课题主要从以下几个方面进行探索,并给出了相应的解决方法。首先,提出频域信息交换的思想（即换频思想）,并引入到经典随机共振理论中。利用基于相移的单边带调制理论对频域信息交换的机理进行了证明分析,并给出了频域内和时域内的换频随机共振方法。为了克服变尺度随机共振受采样频比的制约,将换频技术和变尺度随机共振结合,提出了换频变尺度随机共振信号检测方法,并将其应用到单频和多频目标信号的检测。通过与传统FFT分析法和变尺度随机共振法对比,换频变尺度随机共振法具有更好的检测性能,且不再受采样频比的限制。实验仿真与工程应用实例也验证了该方法的有效性。其次,为了更清晰直观理解势函数的势垒高度和势阱间距的变化对随机共振的影响,提出了势垒高度系数和势阱间距系数调节的随机共振方法。通过双稳系统的逃逸速率、跃迁临界值和输出响应变化趋势的分析,发现随着势阱间距的增大,系统的逃逸速率、跃迁临界值会单调递减,输出响应幅度则有增加的趋势。而势垒高度的增大会导致系统的临界跃迁值增大、输出响应减小,但逃逸速率则是先增后减的复杂趋势。将势函数特征参数（势垒高度和势阱间距）调节与换频技术结合,提出了势函数特征参数调节的换频随机共振信号检测方法,同样实现了低采样频比下的目标信号检测。最后,将上述研究的两种随机共振信号检测方法（换频变尺度随机共振和势函数特征参数调节的换频随机共振）应用于动车组转向架轴承故障的检测。按照动车实际运行工况,搭建转向架轴承实验平台并预制轴承故障,以模拟转向架轴承的运行故障状态。通过对轴承内圈、外圈和滚动体点蚀剥落故障的检测,结果表明文中给出的方法具有一定的可靠性和实用性。总之,本文提出的换频随机共振技术能够克服目标信号受采样频比制约的问题,进而可以实现任意大参数频率信号的检测。同时,势函数特征参数的引入也比较直观地实现了双稳随机共振的调节。因此,本文研究成果为随机共振方法的进一步研究和应用提供了理论基础和技术保障。