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东风10F型机车由两节结构相同的单司机室机车联挂而成，分别为A节和B节机车，机车乘务员在本务机车上可同时操纵两节机车，两车之间有风挡和通过台。机车既可双节重联使用，也可单节独立使用。车体结构及设备布局大致继承了东风10D型、东风4C型机车的设计，采用全焊接钢结构框架式侧壁承载车体，设双侧内走廊。机车从前到后分别为司机室、电气室、传动室、动力室和冷却辅助室。电气室内设有主整流柜、高低压电器柜、制动电阻柜等;传动室内设有辅助传动机构、牵引电机通风机等设备;动力室在机车中部，安装了一套柴油发电机组以及主发电机通风机、车体通风机等;冷却辅助室内设有V型结构的扁管肋片式强化铜散热器和风扇、辅助柴油机发电机组、牵引电动机通风机、空气压缩机和总风缸等。机车下部两台转向架之间吊挂着燃油箱和蓄电池组，结构与东风10D型机车相同。

每节机车装用一台12V240ZJD型柴油机，是在东风6型机车使用的16V240ZJD型柴油机基础上改进设计而成，同样应用了与英国里卡多咨询工程公司技术合作成果，属于240/275系列产品之一。该型柴油机为12气缸、四冲程、废气涡轮增压的直喷式V型中速柴油机，与16V240ZJD型柴油机相比主要改进为缩小了柴油机尺寸以减轻重量，并应用了部分16V240ZJE型柴油机新型零部件。柴油机标定功率为2400千瓦，装车功率为2200千瓦。

传动装置为交-直流电传动。柴油机通过法兰盘直接驱动一台三相交流同步牵引发电机，通过硅整流装置把牵引发电机发出的三相交流电整流为直流电，再经过一套控制系统将电能输送给两台转向架上的六台直流串励牵引电动机，通过传动齿轮驱动车轮。东风10F型机车的电传动系统大部分电气设备可与东风4C型机车通用互换，采用了TQFR-3000B型同步牵引发电机、ZD109D型直流牵引电动机。

东风10F型机车的控制系统是在东风4C型机车所采用的无级调速和励磁调节器基础上改进而成，安装了微机控制的励磁调节器，以及集柴油机调速器无级调节、辅助发电机电压控制、磁场削弱控制三种功能于一体的多功能控制器。

每节机车的走行部为两台相同的三轴转向架，除牵引电机悬挂方式不同外，其结构大致沿用了东风4系列机车三轴转向架的设计。一系悬挂采用独立轴箱拉杆定位圆弹簧加液压减震器，二系悬挂采用橡胶堆旁承加横向减振器和抗蛇行减振器，牵引力和制动力通过低位四连杆机构牵引装置传递。为了满足机车高速运行时动力学性能要求，东风10F型机车是中国国内首次使用牵引电动机滚动轴承抱轴半悬挂结构的准高速机车，取代了滑动轴承抱轴悬挂，而结构上亦比空心轴全悬挂简单。基础制动装置采用带闸瓦间隙自动调整器的单元制动装置(包括弹簧停车装置)和粉末冶金闸瓦。