本发明涉及一种旋转机械转速波动无键相阶次跟踪方法，包括：获取旋转机械的振动加速度信号；进行离散短时傅里叶变换，获取时频表达式；通过双侧快速脊线提取法，估计时频表达式的初始时频脊线；通过变分非线性调频模态分解法，根据振动加速度信号和初始时频脊线，提取信号动态特征；对信号动态特征进行希尔伯特变换和解卷绕计算，获取模态分量的瞬时相位曲线，然后进行等角度重采样，获得角域信号；对角域信号加窗并利用离散傅里叶变换转换至阶次域，进行谱分析并实现故障诊断。与现有技术相比，本发明可以在不借助键相触发器等硬件设备下，消除转速变化导致的频谱模糊的不利影响，有效针对变转速工况显著的旋转机械进行信号处理以及故障诊断。