球磨机作为磨矿的大型通用设备，工作环境复杂多变，服役期间经常会出现部件损坏、失效的情况。本文针对Φ7.32×12.5m溢流型球磨机中小齿轮轴易断裂的现象，考虑基础振动影响，对球磨机整体模型进行研究。利用试验结合仿真的方法识别出各关键参数，在准确模型的基础上对球磨机进行动力学分析，验证了基础设计的合理性；同时通过初始静强度分析得到小齿轮轴的应力分布情况，判断出小齿轮轴易断裂的原因。最终利用“代理模型+智能优化算法”的方法对小齿轮轴进行结构优化，达到减小关键部位应力，延长使用寿命的目的。　　首先，在建立球磨机整体模型时，对其中复杂部件及其连接进行了等效，并给出关键参数初始值。其次，基于实测球磨机基础系统的振动模态参数，选取关键的油膜刚度和地基土刚度作为修正参数，利用模型修正手段，校准了有限元模型，使得关注的两阶模态频率误差降低到0.02%。同时，以N222E轴承为例，找到一种基于局部精细接触模型识别轴承径向刚度的仿真方法，并用模态试验验证了该方法的可行性。最终将这种仿真方法运用到实际使用的双列调心圆柱滚子轴承上，一定程度上保证了在无法进行试验的情况下轴承径向等效刚度的准确性。　　基于上述过程，对球磨机整体系统进行动力学响应分析，验证了此球磨机基础设计是合理的；同时通过初始静强度计算，发现小齿轮轴应力集中区域和现场断裂位置相符。最后，选取小齿轮轴结构尺寸作为优化参数，以体积为约束，利用Kriging代理模型和遗传算法对小齿轮轴易断裂处的应力进行了优化，使关键位置应力降低了21.9%，最终实现结构优化的目标。