理解剛性
剛性 是一項基本的物理特性，描述物體或結構在施加外力時抵抗變形或撓度的程度。在 振動分析中，剛性（通常以字母 k 表示）是與質量（m）和 阻尼 (c）共同決定任何機械系統振動行為的三大特性之一。將機器的剛性設定正確，其 振動 便會保持可預測且受控；設定錯誤，同一台機器可能會因震動而解體。
高剛性元件在特定負載下撓度極小，而低剛性元件的撓度則顯著較大。粗短的鋼棒具有高剛性；細長的橡皮筋則剛性極低。數值上，剛性即為力除以產生的撓度（例如牛頓/毫米），因此 k 值越高，表示移動結構特定距離所需的力越大。
1. 定義：什麼是剛性？
剛性是整體結構的特性，而非僅取決於材料。它取決於材料的彈性模數，但也同樣取決於幾何形狀與零件的支撐方式——這就是為何將樑的深度加倍，其剛性提升幅度遠大於更換為更剛硬的金屬合金。在實際機器中，分析師所關心的「剛性」很少是單一彈簧；而是軸、軸承、軸承座、機架與基礎共同作用的綜合阻力。當多個彈簧組合時，其有效值可透過 等效彈簧剛性計算器進行估算，這是分析支撐系統時有用的第一步。
2. 剛性在振動中的關鍵角色
The stiffness of a system is a primary factor in determining its 自然頻率 ——即系統受擾動後自由振動時的振盪頻率。此關係由以下基本公式表示：
自然頻率 (ωn) ≈ √(k / m)
其中 k 為剛性， m 為質量。此單一表達式帶來三項實務上的後果：
- 增加剛性 將 提高 自然頻率。
- 降低剛性 將 降低 自然頻率。
- 增加質量 將 降低 自然頻率。
由於自然頻率取決於剛性的平方根， k 的大幅變化僅會導致頻率產生較溫和的位移——剛性增加四倍，自然頻率僅增加一倍。這就是為何剛性補強措施通常需要大量的支撐結構，才能將頻率移動足夠的幅度。
3. 剛性與共振
此關係之所以如此重要，是因為 共振。當激振頻率（例如機器的 運轉轉速 ）與系統的自然頻率之一重合時，便會發生共振。此時振動振幅會急劇放大，通常會導致磨損提前發生，在嚴重情況下甚至會造成災難性故障。在 臨界轉速 附近運轉，是旋轉機械領域中同樣的陷阱。
因此，理解剛性對於診斷與消除共振至關重要：
- 問題診斷： 若機器處於共振狀態，分析師可知激振頻率過於接近自然頻率。 敲擊測試 等工具可直接定位該自然頻率。
- 解決方案設計： 要解決問題，必須移動自然頻率。由於改變機器的質量或激振（運轉）速度通常不切實際，最常見的解決方案是改變剛性。增加支撐、加勁肋或改善基礎，可提高系統的剛性，提升自然頻率並使其遠離激振頻率——從而消除共振。隨後進行 頻率響應函數 (FRF) 測量，以確認變更效果。
4. 機械診斷中的剛性
剛性的變化不僅是設計變數；它也可能是故障發展的直接指標。結構中某處剛性喪失，通常會表現為振動上升，並伴隨可辨識的頻譜特徵：
- 鬆動: 鬆動的安裝螺栓，或機器機架或基礎中產生的裂紋，代表局部剛性顯著喪失，並會提高振動振幅。在運轉速度的 FFT 頻譜中，機械鬆動常產生一系列運轉速度的 諧波 （1×、2×、3× 及更高倍數）處會有所體現。
- 軟腳: 當機腳未平整貼合於底座時，會產生扭曲的非線性剛性剖面，導致高振動，並使精確的 對中 變得困難。
- 軸承磨損: 隨著軸承磨損，滾動元件與滾道之間的游隙增大。這會導致轉子-支撐系統的整體剛性降低，並可能降低轉子的臨界轉速。
- 基礎剛性: 薄弱或劣化的基礎會降低整台機器的支撐剛性，使自然頻率向下偏移，有時甚至會將原本安全的運轉速度拉入共振區。
5. 實務現場工作中的剛性
剛性問題與任何振動故障的診斷方式相同——透過測量。工程師將 加速規 安裝在可疑機架上並擷取頻譜，即可區分真正的轉子故障與結構故障：鬆動或軟腳特徵指向剛性喪失，而非例如 不平衡。一款便攜式雙通道儀器，例如 Balanset-1A 非常適合此用途，可在運轉速度下擷取機器自身軸承中的振幅、相位與諧波模式——因此分析師可確認高振動是源於需校正的不平衡問題，還是源於需加支撐的剛性不足。此區分至關重要：對真正遭受鬆動或共振困擾的機器進行動平衡校正，永遠無法解決問題。
