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上世纪60年代后期，东北地区负责牵引旅客列车的主力机型——日本投降后收缴的战利品胜利6、胜利7、胜利8型蒸汽机车都已经疲态尽显；而从50年代末60年代初开始使用的东风型内燃机车和人民型蒸汽机车由于马力的不足只能牵引不超过13节的客车车厢，严重制约了旅客列车的运力，因此东北地区的沈阳铁路局和哈尔滨铁路局迫切需要一种适合在东北地区运行的客运型内燃机车。
胜利6型蒸汽机车
胜利7型蒸汽机车
胜利8型蒸汽机车
人民型蒸汽机车
当时，大连机车车辆工厂的机车研发部门正在全力解决1969年试制出第一台车的东风4型内燃机车暴露出来的一系列问题，根本无暇应付东北需要新型客运内燃机车的需求；二七机车车辆工厂正在为实现周总理“进京客车不冒烟”的指示全力捣鼓北京3000型客运型内燃机车，也无暇分身。
第一台车的东风4型内燃机车
北京3000型内燃机车
位于常州的戚墅堰机车车辆工厂又缺乏适合东北地区运行的机车的经验；至于唐山机车车辆工厂、大同机车车辆工厂等厂家又只是生产厂家，不具备研发机车的团队。因此，在当时这个时间点，能够有能力又有意愿为东北研发新型客运型内燃机车的就只剩下青岛四方机车车辆工厂了。
说来也巧，青岛四方机车车辆工厂在1970年为了满足修建和运营中国援外项目坦赞铁路所需的铁路机车而研制了DFH2型干线客货运液力内燃机车，首批试制了5台运往坦桑尼亚参加了坦赞铁路的建设任务，此时四方厂正在根据这首批试制的车辆在使用中暴露出来的问题进行修改。在接到东北需要新型大马力客运型内燃机车的研发需求后，为了缩短研发时间和成本，十分自然而然的决定在已经试制成功的DFH2型内燃机车的基础上为东北铁路研发一款新的客运型液力内燃机车。
上四图：坦赞铁路上的DFH2型内燃机车
1971年初，四方机车车辆工厂正式开始在DFH2型内燃机车的基础上开始研发新型液力内燃机车。
为了节约成本，方便利用DFH2现成的生产线进行生产和方便日后的配件供应，新车几乎完全保留了DFH2型机车的结构，只不过DFH2型机车是为了适应坦赞铁路1067毫米轨距的窄轨型机车，而中国除了云南地区的部分线路外全部采用1435毫米的标准轨距，因此新型机车转向架的轮距从DFH2的1067毫米改成了1435毫米；而发动机、传动系统和其余主要部件均尽可能沿用DFH2型机车的相应部件，两型车超过80%的零部件可以通用互换，大大节省了成本。
1972年11月，第一台样车东方红-4311号车试制成功，值得一提的是，这台车并不是新造车，而是在四方厂试制的第一台DFH2-001号车的基础上改造而来，这台机车作为四方厂试制的第一批5台DFH2型机车中的一员曾远赴坦桑尼亚参加过坦赞铁路的建设，如今又成为东北用新型客运型内燃机车的第一台试制车，可谓功德无量。
东方红4311号机车经过初步试验和试运转后，于1974年由铁道部安排在锦州铁路局山海关机务段投入10万公里牵引运行试验，在沈山铁路担当牵引各种等级旅客列车。随后，另外4台DFH2型的第一批试制车DFH2-002至005号车也被陆续按照东方红-4311号车的标准进行改造，分别改号为东方红4312号至4315号车，陆续投入到10万公里的牵引运行试验中。
经试验，5台机车的表现基本令人满意，但也暴露出部分部件在寒冷地区运行不灵、牵引力尤嫌不够等一系列问题。根据这5台机车的试用反馈，青岛四方机车车辆厂又在1975年进一步修改了设计，试制出了东方红-4316号车，相比东方红-4311~4315号车，东方红-4316号车的宽度从3.179米加宽到3.279米，车高从4.115米增加到4.45米，而机车长度保持不变。另外动力也从两台单台功率为1250马力的12V180ZL型12缸四冲程直列式中速柴油机更换为单台功率为1350马力的12V180ZJA型柴油机；总功率从2500马力提升为2700马力。
在随后的测试中，东方红-4316号车表现出色，铁道部在1975年年底设计正式批准该型车定型，并在1976年1月正式将该型车命名为东方红3型客运型内燃机车并投入批量生产，原本的东方红-4311~4316号车的车号改为东方红3-0001~0006号车，生产一直持续到1988年，总共生产了268台，号段为东方红3-0001~0268号。
东方红3-0009号车
东方红3型内燃机车采用框架式侧壁承载结构车体，设双端司机室、双侧内走廊，可根据行车方向由机车任一端司机室操纵机车。两台柴油机和两套液力传动装置呈对称布置在机车两侧的动力室和传动冷却室内。
东方红3型内燃机车司机室
东方红3型内燃机车转向架
东方红3型内燃机车总共装用过三个型号的柴油机，其中东方红3-0001~0005号车装两台1250马力的12V180ZL型柴油机，总功率2500马力；东方红3-0006~0251，0254~0268号车装两台1350马力的12V180ZJA型柴油机，总功率2700马力；东方红3-0252和0253号车装两台1500马力的12V180ZJB型柴油机，总功率3000马力。
采用12V180ZJB型柴油机的东方红3-0253号车
东方红3型内燃机车采用的液力传动系统为四方机车车辆厂设计的SF2010-1A型多循环圆液力传动箱，通过一个BI型启动变扭器和一个BII新运转变扭器来分别维持机车启动、低速运转和中、高速运转的工况；机车运行过程中通过充排油换档；传动装置设计功率为1245马力，制动采用双侧闸瓦踏面制动。
东方红3型内燃机车采用两台二轴转向架，机车轴式为BO-BO，轮式0-4-4-0，最高运行速度为每小时120公里。
东方红3型内燃机车投产后，首先配属的是锦州铁路局山海关机务段，替换下东方红1型内燃机车，用于牵引沈山线上的旅客列车。随后接收该型机车的是沈阳铁路局沈阳机务段和哈尔滨铁路局三棵树机务段，替换下胜利型和人民型蒸汽机车，担当沈大线和京哈线的旅客列车牵引任务。接下来接收该型机车的是齐齐哈尔铁路局齐齐哈尔机务段，替换下人民型蒸汽机车，担当滨洲线和滨绥线的旅客列车牵引任务。
从1976年一直到1990年，东方红3型内燃机车始终是哈尔滨铁路局、沈阳铁路局和齐齐哈尔铁路局（1983年成了哈尔滨铁路局齐齐哈尔分局）牵引旅客列车的主力机车。其牵引旅客列车驰骋在白山黑水之上的英姿成了许多60后、70后和80后的东北群众的集体记忆。
上三图：牵引旅客列车的东方红3型内燃机车
上世纪90年代，随着东风4B型和东风4D型客运内燃机车大量进入哈尔滨铁路局和沈阳铁路局，东方红3型内燃机车陆续从一线退了下来，分散到大连、长春、丹东、吉林、通辽、本溪、图们、鸡西等机务段，担当铁路局管内的短途旅客列车和市郊通勤列车的牵引任务。
从上世纪80年代至上世纪90年代末，东方红3型内燃机车牵引的旅客列车发生多起造成人员伤亡的事故，在此挑选最为严重的几起介绍如下：
1988年1月17日，哈尔滨铁路局三棵树机务段的东方红3-0170号车牵引三棵树开往吉林的438次旅客列车运行至拉滨铁路背荫河站时，因机后第一辆客车折角塞门被关闭导致列车制动失效并冒进进站、出站信号机，与正在进站的1615次货物列车发生正面冲突。造成东方红3-0170号车报废，客车报废三辆、中破一辆，蒸汽机车大破一台、货车报废四辆；造成19人死亡、33人重伤、38人轻伤；拉滨线中断正线行车18小时，直接经济损失158万元。
1988年9月23日凌晨3时45分，哈尔滨铁路局三棵树机务段的东方红3-0142号车和0133号车双机牵引由北京开往哈尔滨的17次特快旅客列车接近京哈线范家屯站，因司机误判信号导致列车超速行驶，在范家屯站5道11号道岔处发生脱轨颠覆。事故造成本务机车及机后第1、6、7、8位客车倾斜，重联机车及机后第2至第5位客车颠覆，人员重伤1人，轻伤14人；京哈线中断正线行车6小时14分，直接经济损失150万元。
1988年12月23日23时50分，沈阳铁路局沈阳机务段的东方红3型机车牵引丹东至北京的298次旅客列车运行至新义线清河门站至伊吗图站间K94+948处无人看守道口时，与一辆抢越道口的黄海牌大客车相撞，本务机车和机后第1、2位硬卧车颠覆，第3、4位硬卧车脱轨，造成47人死亡、62人受伤（包括298次列车上25名乘务员和3名旅客），中断新义线正线行车10小时30分，直接经济损失87万元。
1993年1月31日7时30分，沈阳铁路局沈阳机务段的东方红3-0007号车牵引由赤峰开往大连的77次特快旅客列车运行至辽宁省新民县新民镇境内罗家站至高台山站间一个无人看守平交道口和一辆横穿道口满载春游小学生的伊卡洛斯250大客车相撞，大客车直接被撞成粉碎，造成65人死亡、4人重伤、5人轻伤。
1998年1月12日9时06分，沈阳铁路局长春机务段的东方红3-0072号车牵引由白城开往长春的212次旅客列车运行至长白铁路长山屯站至新庙站间K174+350平交道口前150米处和一辆抢越道口的中型客车相撞，事故造成机车小破，中型客车当场报废，伤亡22人。
1999年7月13日4时52分，沈阳铁路局吉林机务段的东方红3-0084号车和0095号车双机牵引由图们开往长春的Y252次旅客列车运行至上家站至营城站间K65+500处的一个无人看守平交道口与一辆抢越道口的解放141型重载卡车相撞，造成卡车司机当场死亡，东方红3-0084号车小破，长图线中断正线行车5小时43分钟。
服役末期的东方红3型机车
2000年，东方红3型内燃机车彻底退出旅客列车牵引机车序列。部分车况较好的机车被辽宁调兵山铁煤集团、河南周口漯阜铁路公司、中国水利水电第十一工程局等企业购买，用于调车作业和牵引通勤列车使用。其中调兵山铁煤集团购买的8台机车的车号根据铁煤集团铁路运输部编制更改为东方红3-2001～2008号，一直使用到2010年报废。
牵引市郊通勤列车的调兵山铁煤集团东方红3-2005号车
牵引货车的调兵山铁煤集团东方红3-2007号车
报废后的东方红3-2008号车
东方红3-0065号退役后被漯阜铁路公司购买，用于牵引界首至阜阳的6071/6072次旅客列车和沈丘至郑州的4741/4722次旅客列车，一直使用到2010年初停运报废。东方红3-0200和0210号车在中国水利水电第十一工程局有限公司负责三门峡大坝的三大铁路专用线牵引小运转列车一直使用到了2015年报废。
东方红3-0200号车
此外，部分吉林铁路分局退役的东方红3型内燃机车在2000年至2002年无偿援助给朝鲜民主主义人民共和国，这批机车被朝鲜铁路系统改称为“朝鲜铁道900型柴油机车”，机车编号为내연9XX（“내연”意为“内燃”）。
朝鲜铁道내연923号车
有4台东方红3型内燃机车在退役后得到良好的保存：
东方红3-0009号车被保存在北京的中国铁道博物馆。
保存在北京的中国铁道博物馆的东方红3-0009号车
东方红3-0029号车被保存在四川乐山沫若戏剧文创园。
保存在四川乐山沫若戏剧文创园的东方红3-0029号车
东方红3-0135号车被保存在眉山市中铁火车来斯休闲体验园。
保存在眉山市中铁火车来斯休闲体验园的东方红3-0135号车
东方红3-0186号车被保存在苏家屯的沈阳铁路机车陈列馆。
保存在苏家屯的沈阳铁路机车陈列馆的东方红3-0186号车