柴油机是社会生产生活的重要动力源,其结构复杂、工作环境恶劣、机械故障频发,在这些故障中关键运动部件故障较为常见,其中活塞敲缸故障、轴系不对中故障、失火故障诊断中瞬时转速测量存在偏差问题、气门间隙异常故障较为典型。针对这些故障,本文开展了模拟仿真与实验研究。针对敲缸故障,本文分析了活塞的受力,对活塞敲缸振动规律进行了动力学仿真分析,指出一周期四次敲缸振动加速度随柴油机转速、活塞间隙的增大而增大,敲缸振动相位随柴油机转速升高、活塞间隙的增大而延后,并在柴油机故障实验台上对部分结果进行了验证。研究结果为更好的理解柴油机敲缸振动以及实现敲缸故障的在线预警做了铺垫。针对齿式联轴器不对中故障,本文分析了不对中的齿式联轴器产生的轴向摩擦力特点,建立了包括齿式联轴器在内的轴系动力学仿真模型,通过动力学仿真分析指出不对中的齿式联轴器会产生轴向摩擦力而导致曲轴轴向运动异常,并通过实际工程中的故障案例对仿真结果进行了验证。探究结果旨在为柴油机轴系故障的原因排查和诊治提供相关的机理性依据。针对失火故障诊断中瞬时转速测量存在偏差问题,本文从理论上对偏差来源进行了分析,并通过动力学仿真探究了各因素对偏差的影响规律,在此基础上提出了优化后的瞬时转速测量、计算方法。柴油机失火故障模拟实验显示,通过优化后的瞬时转速测量、计算方法得到的瞬时转速清晰地显示了失火故障特征,此部分的研究旨在优化基于瞬时转速的失火故障诊断方法。除此之外,本文对柴油机故障试验台上模拟的气缸失火故障、气门间隙异常故障的缸盖振动信号进行了分析,实验结果以期为这两种故障的故障特征提取提供相关实验经验。