齿轮在机械传动及整个机械领域中的应用极其广泛,一旦出现故障,容易引发连锁反应,造成严重后果。因此,从复杂的齿轮振动信号中提取出齿轮故障特征并进行诊断,从而采取及时的应对措施,对于齿轮的正常运行进而保证设备的稳定工作具有重要意义。本文基于稀疏分解理论,结合齿轮复合故障振动信号机理模型,深入研究了稳速及变速工况下的齿轮复合故障特征提取和诊断方法。针对现有冗余冲击调制字典存在局部型故障信号幅值提取精度不足的问题,提出基于倒频谱滤波与最小二乘复指数法（LSCE）的冲击调制字典构造方法,在此基础上形成一种稳速工况齿轮复合故障诊断方法。所提方法首先以平稳调制字典提取齿轮分布型故障信号,然后利用倒频谱滤波从剩余信号中提取出脉冲响应函数。通过LSCE识别系统各阶模态参数,结合对应幅值信息,构造包含多阶模态信息的原子并时移而成冲击调制字典,从而实现了局部型故障信号的特征提取。相比于现有基于相关滤波的冗余字典构造方法,所提方法构造的字典仅由单个原子时移而成,形式更为简洁,能更准确地提取齿轮局部型故障特征。仿真、实验及对比分析进一步验证了所提方法在稳速工况下齿轮复合故障诊断方面的有效性。针对现有角域准平稳调制字典提取分布型故障信号存在的幅值误差问题,提出一种基于时域稀疏调频字典的变速工况齿轮复合故障诊断方法。所提方法基于变速下齿轮故障信号机理模型,构造融合时变转速信息及齿轮结构参数的稀疏调频字典,直接从时域提取齿轮分布型故障信号。然后基于倒频谱滤波与LSCE构造冲击调制字典,提取剩余信号中的局部型故障特征。与在角域构造准平稳调制字典的稀疏分解方法相比,所提方法避免了时域角域相互转换时的积分误差,提高了时域分布型故障信号的幅值提取精度。仿真、实验及对比分析验证了所提变工况齿轮复合故障诊断方法的有效性。