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1963年,巨龙型机车配属北京铁路局北京内燃机务段投入使用,担当京山铁路丰台西至南仓间的货物列车牵引任务。1965年,首批ND型柴油机车开始配属到北京内燃机务段。1960年代中期,东风型柴油机车作为中国第一代干线柴油机车,开始优先投放到干旱缺水地区使用,例如中国西北的戈壁荒漠、中国东北的大兴安岭等地,以及线路坡度大、长隧道较多的中国西南地区。
1965年,重庆至贵阳的川黔铁路交付运营,成都铁路局遵义机务段随之成立,这是继北京内燃段之后中国第二个内燃机务段,同年开始配属首批东风型柴油机车,担当川黔铁路贵阳至赶水间的机车交路。1966年,兰州至乌鲁木齐的兰新铁路正式建成通车,乌鲁木齐铁路局(原铁道部第一工程局)柳园机务段同时成立,并开始大量配属东风型柴油机车,主要担当兰新铁路三道沟—柳园—哈密间的客货列车牵引任务,这也是中国西北地区第一个内燃机务段。同年,连接贵阳和昆明的贵昆铁路建成通车,成都铁路局水城机务段(后改称为六盘水机务段)随之成立,并开始配属东风型柴油机车,担当贵昆铁路六盘水至宣威的客货列车牵引任务;同时,昆明铁路局昆明机务段也开始配属东风型和东风2型机车。
1967年,柳州铁路局麻尾机务段开始配属东风型机车,投入到以坡陡弯急而著称的黔桂铁路使用,自此黔桂铁路的牵引动力逐渐改用柴油机车,取代了以往使用的解放1型蒸汽机车。麻尾机务段的机车配属数量至1973年初达到历史顶峰,当年该段配属的东风型机车多达128台,后来近半数改配属同年成立的金城江机务段。1969年,为开发大兴安岭森林资源而兴建的嫩林铁路(今富西铁路)嫩江至加格达奇段建成通车,成立了齐齐哈尔铁路局加格达奇机务段,并开始配属东风型柴油机车。翌年,嫩林铁路加格达奇至樟岭段建成通车,成立了塔河机务段并开始配属东风型机车。1970年,成都至昆明的成昆铁路全线建成通车,昆明铁路局广通机务段、成都铁路局峨嵋机务段、成都铁路局西昌机务段同时成立,并开始大量配属东风型柴油机车,担当成昆铁路全线的客货列车牵引任务。 1972年起,东风3型客运机车投入批量生产,并配属到某些急需机车的客运机务段。广州铁路局长沙机务段是是首个配属东风3型机车的机务段,担当京广铁路郴州—长沙—岳阳的旅客列车牵引任务,代替老旧的胜利3型和胜利6型蒸汽机车。1973年,上海铁路局上海机务段配属东风3型机车,以替换使用寿命将近四十年的KF型蒸汽机车,担当京沪铁路上海至南京、蚌埠间的旅客列车牵引任务。同年,郑州铁路局郑州机务南段开始大量配属东风3型机车,担当京广铁路武昌—郑州—安阳、陇海铁路陕州(三门峡西)—郑州—徐州—蚌埠间的客运交路,代替以往使用的人民型和胜利型蒸汽机车。同时,北京铁路局石家庄机务段亦开始配属东风3型机车,担当京广铁路北京—石家庄—安阳间的客运牵引任务。此外,东风3型机车也被配属到广州铁路局广州机务段和沈阳铁路局沈阳机务段,分别投入到广深铁路和沈大铁路使用。
1973年,郑州铁路局桐树店机务段(后改称为襄樊北机务段) 开始配属东风型机车,投入汉丹铁路、襄渝铁路运用,代替FD型和前进型蒸汽机车。同年,兰州铁路局兰州西机务段配属东风型机车,担当包兰铁路兰州至干塘间的客货列车牵引任务。1974年,成都铁路局贵阳机务段配属东风型机车,开始由蒸汽机务段向内燃机务段过渡。1975年,柳州铁路局柳州机务段配属东风型机车,担当湘桂铁路柳州到冷水滩间的旅客列车牵引任务。1978年,贵阳机务段的东风型机车开始投入湘黔铁路运用。 自1970年代后期开始,由于东风3型机车的牵引功率较低,因此开始被其他性能更好的客运机车取代。随着东方红3型柴油机车投入批量生产,沈阳机务段逐步调出所有东风3型机车。上海铁路局和广州铁路局的东风3型机车,也逐步被从罗马尼亚进口的ND2型柴油机车取代;而自1982年起郑州机务南段也开始大量配属北京型柴油机车。1980年代中期,这些剩余的东风3型机车陆续被改造成东风型货运机车,投入到西南地区的机务段使用,以加快淘汰老旧的蒸汽机车。1983年,柳州铁路局融安机务段配属东风型机车,担当枝柳铁路柳州—融安—怀化站(怀化南)间的客货列车牵引任务。同年,加格达奇和塔河机务段的部分东风型机车转配属伊图里河机务段。1985年,成都铁路局九龙坡机务段(后来更名为重庆南机务段) 开始配属东风型机车,以代替解放型和前进型蒸汽机车,担当襄渝铁路重庆至达县、成渝铁路重庆至内江、川黔铁路重庆至赶水、以及三万支线三江至万盛的客货运输任务。
1980年代后期,东风3型客运机车已经从中国铁路的机车序列中消失,绝大多数的东风3型机车均已经修改了传动齿轮比,改造成最高速度为100公里/小时的东风型机车,令东风型机车在全国铁路的保有量于1990年达到886台的历史顶峰;同时机车编号也由客运型的“东风3-0XXX”改成货运型的“东风XXXX”,“客改货”的东风型机车主要占用“东风18XX”至“东风21XX”之间的号段,因而造成机车编号混乱的情况。 1990年代初,随着贵昆、湘黔、川黔、成昆铁路相继完成电气化改造,西南地区的东风型机车也逐步退居二线,由干线牵引转为担当干线小运转或调车任务。1994年,成都铁路局广安机务段配属东风型机车,担当襄渝铁路广安至重庆西的货物列车牵引任务;同年,内江机务段也调入东风型机车,担任内江站的调车作业。此外,部分铁路局为应付短途客运的需求,又将部分东风型机车改变齿轮传动比,改造成客运型机车及用于牵引短途客车和通勤车。至1990年代后期,仅存的东风型机车除了主要用于调车作业外,仍然有少数用于西南地区的铁路干线,例如重庆南机务段一直使用东风型机车牵引襄渝铁路的旅客列车,直到襄渝铁路全线于1998年完成电气化为止。
1994年至1995年间,成都机车车辆厂先后翻新了一批从成都铁路局、昆明铁路局收集的旧东风型机车共10台,经铁道部同意将翻新后的车号改为东风2201~东风2210,其中7台(2201~2206、2210)出售予三茂铁路公司三水机务段,采用客运齿轮比和蓝色车身涂装,担当三茂铁路的旅客列车牵引任务;其余3台采用货运齿轮比的机车被出售予路外厂矿企业使用,2207号机车由深圳市韶峰水泥公司使用,而另外的2207、2208号机车则去向不明。
1995年,黑河铁路集团公司从购进了首批东风型柴油机车,配属孙吴机务段担当北黑铁路的客货列车牵引任务,至1996年已全部淘汰了原有的建设型蒸汽机车。2002年,东风型柴油机车被中国国家经贸委列入《淘汰落后生产能力、工艺和产品的目录(第三批)》,要求尽快淘汰 。2003年,黑河地方铁路购进东风4B型柴油机车,并淘汰了所有东风型机车。同年,三茂铁路公司引进了GK1CB型柴油机车,所有东风型机车停运报废。
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