El estado operativo de los rodamientos de las cajas de ejes es crucial para la seguridad de los trenes de alta velocidad, y la señal de aceleración de vibración es una señal comúnmente utilizada para el monitoreo del estado de salud de los rodamientos. Con el fin de extraer información de frecuencia característica oculta de la señal de aceleración de vibración de los rodamientos de las cajas de ejes para el diagnóstico de fallas, se propone en este artículo un método para extraer la frecuencia característica de falla basado en la fusión de análisis de componentes principales (PCA) y el operador de energía analítica de señal de ruido filtrado óptimo (AEO). Se utiliza PCA para medir la reducción de dimensión y la fusión de la aceleración de vibración en tres direcciones, reduciendo la interferencia de componentes de ruido irrelevantes. Se construye un nuevo tipo de banco de filtros de paso de banda multicanal para obtener señales filtradas en diferentes intervalos de frecuencia. Se utiliza un nuevo índice de curtosis promedio mejorado para seleccionar las señales de filtrado óptimas para diferentes filtros de canal en un banco de filtros de paso de banda. Se propone por primera vez un índice característico adimensional, el coeficiente de concentración de energía de frecuencia característica (CFECC), para describir la capacidad de prominencia de energía de la frecuencia característica en el espectro y se puede utilizar para determinar el tipo de falla del rodamiento. La efectividad y aplicabilidad del método propuesto se verifican utilizando señales de simulación y señales experimentales de cuatro casos de prueba de rodamientos con fallas. Los resultados demuestran la efectividad del método propuesto para el diagnóstico de fallas y sus ventajas sobre otros métodos.