本发明涉及船舶实验教学，属于船舶与海洋工程领域，具体而言，尤其涉及一种用于实验教学的船舶动力装置螺旋桨负载特性加载系统与方法，适用于高等院校船舶与海洋工程专业的教学与科研实验，可用于演示螺旋桨水动力特性、船桨动力匹配原理及船舶动态工况下的动力响应规律。
背景技术：
1、在船舶与海洋工程技术领域，船舶动力装置的螺旋桨负载模拟与测试属于实验教学的重要内容。对于船舶动力装置的螺旋桨负载加载，传统的实验教学方法是将实际或缩小比例的螺旋桨连接船舶动力装置，并放入封闭式循环水池。而这种方法对实验教学场地或改造要求较高，造价非常昂贵，同时实验操作过程也具有一定的危险性，不便于教学演示和学生实践操作。另外通过电涡流测功机虽然可以对船舶动力装置实现负载加载，但无法模拟螺旋桨的非线性负载特性。
2、现有文献公开了船舶液压推进系统螺旋桨负载模拟研究，但是发明人在实验中发现，现有技术多为通过液压泵、液压马达及电液比例溢流阀构建加载系统，之后通过仿真模型实现负载模拟。这类系统集成难度大、维护成本高，且液压管路的压力损失、泄漏等问题易导致实验故障，不适用于学生的简易操作与直观理解，同时，液压加载系统的液压泵、马达、比例阀等元件造价高，且需配套油箱、冷却系统等辅助设备，占用实验室空间大。且发明人尤其发现，液压系统的油液压缩性与管路阻尼导致负载模拟的动态响应滞后，难以实时反映船舶工况变化对螺旋桨负载的影响。此外，现有负载模拟依赖复杂的联合仿真模型，学生需掌握专业仿真软件才能理解原理，不符合实验教学的直观性需求。
3、因此，设计一种结构简单、成本低、安全性高、适配教学场景的船舶动力装置螺旋桨负载加载系统与方法，成为船舶实验教学中的一项重要需求。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明提供一种用于实验教学的船舶动力装置螺旋桨负载特性加载系统与方法，以磁粉制动器替代传统液压系统与水池实验，解决现有技术结构复杂、教学适用性差、成本高的问题，实现螺旋桨负载特性的精准模拟与直观教学。
2、本发明采用的技术手段如下：
3、一种用于实验教学的船舶动力装置螺旋桨负载特性加载系统，包括：
4、船舶动力装置，用于输出动力；
5、负载模拟机构，为磁粉制动器，用于产生模拟螺旋桨负载的转矩；
6、转速调节机构，用于调节所述船舶动力装置的输出转速；
7、励磁控制机构，用于调节所述负载模拟机构的励磁电流；
8、传动连接机构，用于连接所述船舶动力装置与所述负载模拟机构以传递动力；
9、传感检测机构，用于采集实验过程中的转速、转矩及电流数据；
10、监控控制机构，用于接收所述传感检测机构的数据，计算目标负载转矩并控制所述励磁控制机构以实现负载转矩的闭环跟踪；
11、所述船舶动力装置的输出轴通过所述传动连接机构与所述负载模拟机构的输入轴同轴刚性连接；所述转速调节机构与所述船舶动力装置电性连接，以调节其输出转速；所述励磁控制机构与所述负载模拟机构电性连接，以调节其励磁电流；所述传感检测机构与所述监控控制机构数据连接，以传输采集数据；所述监控控制机构分别与所述转速调节机构、所述励磁控制机构电性连接，以实现转速调节与负载转矩的闭环控制。
12、进一步地，所述转速调节机构为油门调速器，通过调节供油或供气量以控制所述船舶动力装置的输出转速。
13、进一步地，所述励磁控制机构为励磁电流控制器，输出可调的直流励磁电流至所述负载模拟机构。
14、进一步地，所述传动连接机构为联轴器，实现所述船舶动力装置与所述负载模拟机构的同轴刚性连接。
15、进一步地，所述传感检测机构包括转速传感器、转矩传感器及电流传感器；所述转速传感器与转矩传感器安装于所述船舶动力装置与所述负载模拟机构之间的传动轴上，所述电流传感器集成于所述负载模拟机构的励磁电流回路。
16、进一步地，所述监控控制机构内置螺旋桨负载特性数学模型，用于根据实验参数计算目标负载转矩，并采用闭环控制算法调节所述励磁控制机构的输出。
17、进一步地，所述螺旋桨负载特性数学模型采用切比雪夫多项式拟合螺旋桨图谱数据，以表达螺旋桨转矩系数与进速比的关系。
18、进一步地，所述监控控制机构包括人机交互界面，用于设置船舶工况、螺旋桨参数、航行环境条件，显示实验数据动态曲线，并存储复盘实验结果。
19、本发明还公开了基于上述系统的船舶动力装置螺旋桨负载特性加载方法，包括如下步骤：
20、s1：系统初始化，通过监控系统的人机交互界面设定实验参数，包括船舶工况类型、螺旋桨参数及初始运行参数；
21、s2：启动船舶动力装置，通过传动连接机构驱动磁粉制动器同步旋转，利用转速调节机构调节船舶动力装置的输出转速；
22、s3：所述监控系统根据设定的工况参数与实时采集的转速，通过内置的螺旋桨负载特性数学模型计算当前工况下的目标负载转矩；
23、s4：所述监控系统将所计算目标负载转矩转换为对应的控制指令，并发送至所述励磁电流控制器，以调节所述磁粉制动器的励磁电流；
24、s5：所述磁粉制动器依据励磁电流的大小产生相应的模拟负载转矩，并将其施加于所述船舶动力装置的输出轴上，从而模拟螺旋桨的水动力负载；
25、s6：传感检测机构采实时采集船舶动力装置的实际输出转速、实际负载转矩以及磁粉制动器的实时励磁电流，并将这些数据反馈至所述监控系统；
26、s7：所述监控系统将采集的实际负载转矩与计算得到的目标负载转矩进行比较，通过闭环控制算法动态调整输出至所述励磁电流控制器的控制指令，实现对螺旋桨负载转矩的准确模拟；
27、s8：重复步骤s3-s7，持续跟踪工况变化并动态调节负载，直至实验结束；所有实验数据由所述监控系统的存储单元记录，并可通过人机交互界面进行复盘分析。
28、本发明通过磁粉制动器作为核心负载元件，配合螺旋桨负载特性数学模型及闭环控制策略，实现对船舶启航、巡航、加速、减速等典型工况下螺旋桨负载转矩的精准模拟。监控系统实施采集转速、转矩和电流数据，内置基于切比雪夫多项式拟合的螺旋桨特性数学模型，通过闭环控制动态调节磁粉制动器励磁电流，确保实际负载转矩实时跟踪目标负载转矩，支持实验数据的可视化分析与存储。本发明结构紧凑、成本低、操作便捷且模拟精度高，能直观展示船舶动力装置与螺旋桨负载特性的匹配关系，为船舶与海洋工程相关专业的实验教学提供了一种经济、可靠、高效的船舶动力装置螺旋桨负载模拟解决方案。
29、较现有技术相比，本发明具有以下优点：
30、1、本发明以磁粉制动器替代液压加载系统，仅通过励磁电流即可调节负载转矩，系统元件少、结构紧凑，学生可快速掌握设备连接与操作，且无液压泄漏、压力损失等故障隐患，适配实验教学的简易化需求。
31、2、磁粉制动器的负载转矩与励磁电流呈线性关系，可实时跟踪船舶工况变化对螺旋桨负载的影响，直观展示船桨动力匹配的动态过程，相对于现有液压系统的响应时间，更能体现实时特性。
32、3、本发明将螺旋桨负载特性模型简化为切比雪夫多项式拟合形式并集成于监控系统，学生无需掌握专业仿真软件，仅通过人机界面设置参数即可开展实验，且监控系统的实时数据可视化功能可直观展示转速、转矩的动态变化，帮助学生理解螺旋桨负载特性的非线性规律。基于切比雪夫多项式的模型拟合精度高，能精准模拟船舶启航、巡航、加速、减速等典型工况的螺旋桨负载特性；同时，监控系统支持自定义螺旋桨参数与航行环境，可开展多样化的教学实验，满足船舶工程专业的教学需求。
33、4、本发明的磁粉制动器及配套控制系统成本仅为液压加载系统的1/3，且体积小、无需配套油箱与冷却系统，可直接布置于实验台，适合高校实验室的规模化建设，而液压系统需占用大量空间且维护成本高。