本发明涉及一种基于迭代扩展本征模态分解的旋转机械故障诊断方法，包括：获取旋转机械在变转速工况运行时的振动加速度信号；进行离散短时傅里叶变换，获得时频表达式；通过双向快速单线提取法，初步估计能量最显著的关键时频脊线；通过迭代扩展本征模态分解，根据振动加速度信号和关键时频脊线初始估计值，分离重构关键模态；对关键模态进行等角度重采样，获得稳态角域信号；通过离散傅里叶变换将角域转换至阶次域，分析各特征阶次，得到故障诊断结果。与现有技术相比，本发明在不借助控制电路、转速计等硬件设备下，通过准确提取和分析振动信号中关键本征成分，高效地对变转速尤其是大转速波动工况的机械设备进行信号处理和故障诊断。