煤炭是我国的主体能源，在我国经济社会发展中具有重要的战略地位。采煤机作为现代化矿井安全、高效生产的主要机械设备，正受到越来越多的关注。其中，摇臂作为采煤机最容易产生故障的部位，其所处的截割部消耗的功率却占整个采煤机功率的80％-90％，因此，摇臂故障能否准确诊断将直接影响采煤机的生产率、传动效率、能耗和使用寿命。对设备的振动信号的测试和分析是一种主要的状态监测和故障诊断手段，所以开展系统振动和故障齿轮对齿轮系统动态特性影响的研究有助于采用更可靠、更有效的状态监控和故障诊断方法。要对采煤机摇臂进行准确的在线监测和故障诊断，选择适当的传感器监测点和传感器个数是必不可少的环节，对摇臂的动力学研究是找到恰当传感器监测点和传感器数量的理论基础。优化的传感器布置能够以最低的成本提供最有价值的信息，是提高状态检测和故障诊断系统性能的物质基础。齿轮故障可以通过齿轮啮合动力学参数表现出来，特别地，齿轮啮合刚度和轮齿啮合力对齿轮系统的故障比较敏感，所以研究齿轮动力学啮合参数是对齿轮系统进行精准故障诊断的基础。基于材料力学原理和能量原理建立了求解齿轮时变啮合刚度的理论模型，近一步建立了具有非等齿宽裂纹的齿轮时变啮合刚度理论模型模型。通过数值仿真，求解了摇臂齿轮在啮合过程的时变啮合刚度；通过对不同程度裂纹齿轮的刚度计算，得出随着裂纹的扩展，齿轮的刚度随着变小的结论。基于摇臂齿轮高速区是齿轮故障高发区，建立高速区齿轮9自由度动力学模型，基于此模型研究了高速区齿轮动态特性、冲击载荷对齿轮动态特性的影响，以及不同裂纹损伤程度对系统动态特性的影响，结果表明齿轮系统的损伤存在可通过时域信号分析诊断。分析了行星轮系中的典型损伤模式对系统振动特性的影响，损伤引起了信号的周期性变化，且冲击成分明显；频域信号中信号的频率一样，与正常齿轮的频域信号相比，损伤齿轮的频域信号的啮合频率周围出现较多的边频带，并且不同的损伤形式的边频带幅值有所差别。齿轮的啮合激励通过齿轮轴和轴承传递到壳体上的频率以齿轮的啮合频率以及其倍频为主。从理论模型得到的仿真信号不含噪声和外界扰动，从理论层面的分析为更深刻地理解和把握典型损伤对于齿轮系振动特性的影响提供了依据，为进一步研究特征提取方法、损伤检测、退化状态评估和剩余使用寿命预测奠定了基础。为了对摇臂振动传感器优化布置，在摇臂动力学研究基础之上，基于板壳功率流理论，采用有限元方法求出了摇臂壳体在内部载荷激励下，壳体上功率流的分布，基于功率流研究，划分出振动传感器可布置区域，分析结果表明，摇臂振动传感器的最佳布置区域为靠近轴承座附近的区域。在功率流研究基础之上，阐述了传感器优化布置的准则，模态应变能准则有利于参数识别，与遗传算法相比，粒子群优化算法具有算法的模拟过程简单且容易实现的特点。基于模态置信准则建立了摇臂传感器优化布置的适应度函数，采用粒子群优化算法对采煤机摇臂的传感器优化布置方案进行了优化计算，最后得到了摇臂传感器优化布置策略。