Sachverhalt:
A.
A.a. Der 1957 geborene A._ meldete sich im September 2005 bei der Invalidenversicherung zum Leistungsbezug an. Mit Verfügungen vom 9. und 16. Mai 2006 sprach ihm die IV-Stelle des Kantons Zürich bei einem Invaliditätsgrad von 62 % eine Dreiviertelsrente (nebst Kinderrenten) ab Oktober 2005 zu. Am 29. November 2006 ersuchte A._ um Erhöhung der Rente, worauf die Verwaltung Abklärungen traf und das Vorbescheidverfahren durchführte. Mit Verfügung vom 23. April 2008 setzte sie, ausgehend von einem Invaliditätsgrad von 45 %, ab Juni 2008 die bisherige Rente auf eine Viertelsrente herab. Das Bundesgericht bestätigte die Rentenherabsetzung mit Urteil 9C_203/2010 vom 21. September 2010.
A.b. Im Oktober 2011 machte A._ erneut eine Rentenerhöhung infolge Verschlechterung seines Gesundheitszustandes geltend. Am 3. April 2013 verfügte die IV-Stelle die Abweisung des Erhöhungsgesuches. In Gutheissung der dagegen erhobenen Beschwerde wies das Sozialversicherungsgericht des Kantons Zürich die Sache zu weiteren Abklärungen und neuem Entscheid an die Verwaltung zurück (Entscheid vom 9. Januar 2014). Diese veranlasste insbesondere das polydisziplinäre Gutachten der PMEDA AG Polydisziplinäre Medizinische Abklärungen (nachfolgend: PMEDA) vom 10. Oktober 2016. Nach Durchführung des Vorbescheidverfahrens wies sie das Rentenerhöhungsgesuch mit Verfügung vom 15. Mai 2017 mangels Veränderung des Gesundheitszustandes erneut ab. Mit Verfügung vom 30. August 2017 sprach die IV-Stelle A._ orthopädische Serienschuhe zu, weshalb das Sozialversicherungsgericht des Kantons Zürich mit Entscheid vom 7. September 2017 ein diesbezügliches Beschwerdeverfahren als gegenstandslos abschrieb.
B.
Die gegen die Verfügung vom 15. Mai 2017 erhobene Beschwerde wies das Sozialversicherungsgericht des Kantons Zürich mit Entscheid vom 4. Januar 2018 ab.
C.
A._ lässt mit Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten beantragen, unter Aufhebung des Entscheids vom 4. Januar 2018 und der Verfügung vom 15. Mai 2017 sei ihm aufgrund eines auch für leidensangepasste Tätigkeiten bestehenden Arbeitsunfähigkeitsgrades von mindestens 60 % mit Wirkung ab dem Oktober 2011 eine Invalidenrente auf der Basis eines Invaliditätsgrades von mindestens 60 % zuzusprechen; eventualiter sei die Sache zu weiteren Abklärungen und neuem Entscheid an das kantonale Gericht zurückzuweisen.
Die IV-Stelle schliesst auf Abweisung der Beschwerde. Das Bundesamt für Sozialversicherungen verzichtet auf eine Stellungnahme.

Erwägungen:
1.
1.1. Der Beschwerdeführer legt im bundesgerichtlichen Verfahren ein Schreiben des Prof. Dr. med. B._ vom 28. Februar 2018, einen Bericht der Klinik C._ vom 27. Februar 2018 und ein Schreiben des Dr. med. D._ vom 2. März 2018 ins Recht. Diese Unterlagen sind als echte Noven von vornherein unzulässig (Art. 99 Abs. 1 BGG; <ref-ruling> E. 1.2 S. 23 f.; <ref-ruling> E. 3.2.2.2 S. 548; <ref-ruling> E. 3.1.2 S. 123).
1.2.
1.2.1. Mit Beschwerde in öffentlich-rechtlichen Angelegenheiten kann u.a. die Verletzung von Bundesrecht gerügt werden (Art. 95 lit. a BGG), die Feststellung des Sachverhalts durch die Vorinstanz nur, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von Art. 95 BGG beruht und die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (Art. 97 Abs. 1 BGG). Das Bundesgericht legt seinem Urteil den Sachverhalt zugrunde, den die Vorinstanz festgestellt hat (Art. 105 Abs. 1 BGG). Es kann deren Sachverhaltsfeststellung von Amtes wegen berichtigen oder ergänzen, wenn sie offensichtlich unrichtig ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von Art. 95 BGG beruht (Art. 105 Abs. 2 BGG).
1.2.2. Eine Sachverhaltsfeststellung ist nicht schon dann offensichtlich unrichtig, wenn sich Zweifel anmelden, sondern erst, wenn sie eindeutig und augenfällig unzutreffend ist. Es liegt noch keine offensichtliche Unrichtigkeit vor, nur weil eine andere Lösung ebenfalls in Betracht fällt, selbst wenn diese als die plausiblere erscheint. Diese Grundsätze gelten auch in Bezug auf die konkrete Beweiswürdigung; in diese greift das Bundesgericht auf Beschwerde hin nur bei Willkür (zu diesem Begriff <ref-ruling> E. 2.4 S. 5 mit Hinweisen) ein, insbesondere wenn die Vorinstanz offensichtlich unhaltbare Schlüsse zieht, erhebliche Beweise übersieht oder solche grundlos ausser Acht lässt. Solche Mängel sind in der Beschwerde aufgrund des strengen Rügeprinzips (vgl. Art. 106 Abs. 2 BGG) klar und detailliert aufzuzeigen (<ref-ruling> E. 1.3 S. 261 f.). Auf ungenügend begründete Rügen oder bloss allgemein gehaltene appellatorische Kritik am angefochtenen Entscheid tritt das Bundesgericht nicht ein (<ref-ruling> E. 4.2 S. 53 mit weiteren Hinweisen).
2.
Ändert sich der Invaliditätsgrad eines Rentenbezügers erheblich, so wird die Rente von Amtes wegen oder auf Gesuch hin für die Zukunft entsprechend erhöht, herabgesetzt oder aufgehoben (Art. 17 Abs. 1 ATSG). Anlass zur Rentenrevision gibt jede wesentliche Änderung in den tatsächlichen Verhältnissen seit Zusprechung der Rente, die geeignet ist, den Invaliditätsgrad und damit den Anspruch zu beeinflussen. Insbesondere ist die Rente bei einer wesentlichen Änderung des Gesundheitszustandes revidierbar. Hingegen ist die lediglich unterschiedliche Beurteilung eines im Wesentlichen gleich gebliebenen Sachverhalts im revisionsrechtlichen Kontext unbeachtlich (<ref-ruling> E. 2.3 S. 10 f. mit Hinweisen).
3.
3.1. Die Vorinstanz hat zutreffend erkannt, dass in concreto entscheidend ist, ob sich der Gesundheitszustand resp. die Arbeitsfähigkeit des Versicherten im Vergleich zum Sachverhalt bei Erlass der rentenherabsetzenden Verfügung vom 23. April 2008 (vgl. <ref-ruling> E. 5.4 S. 114, Urteil 9C_461/2010 vom 16. August 2010 E. 1.2) in anspruchsrelevanter Weise verschlechtert hat.
Sie hat dem PMEDA-Gutachten Beweiskraft (vgl. <ref-ruling> E. 3.a S. 352) beigemessen und ist gestützt darauf zum Schluss gelangt, dass dem Beschwerdeführer - nach wie vor (vgl. Urteil 9C_203/2010 vom 21. September 2010 E. 2 und 4.1) - die bisherige Tätigkeit im Rangierdienst nicht mehr, hingegen eine leidensangepasste (körperlich leichte, wechselbelastende oder überwiegend sitzend ausgeübte) Arbeit uneingeschränkt zumutbar sei. Damit hat sie (implizit) eine relevante Verschlechterung des Gesundheitszustandes verneint und folglich die Verfügung vom 15. Mai 2017 bestätigt.
3.2. Der Beschwerdeführer beanstandet, dass ihm Prof. Dr. med. E._, Facharzt für Neurologie und gemäss (verbindlicher, E. 1.2) vorinstanzlicher Feststellung Leiter der PMEDA, der das Gutachten vom 10. Oktober 2016 ebenfalls unterzeichnete, nicht vorgängig als Experte angezeigt worden war. Wie der Versicherte in seiner vorinstanzlichen Beschwerde selber geltend machte, nahm Prof. Dr. med. E._ keine Untersuchung vor, sondern bestätigte lediglich die Einschätzungen der übrigen Experten. Ein Einfluss seiner Bewertung auf die Begutachtungsergebnisse des Dr. med. F._ (internistische Untersuchung), des Dr. med. G._ (rheumatologische Untersuchung) oder des Dr. med. H._ (psychiatrische Untersuchung) ist nicht ersichtlich. Es ist daher nicht einsichtig, dass das Gutachten aufgrund der blossen Mitunterzeichnung durch einen Arzt, der nicht vorgängig als Experte bekanntgegeben wurde, nicht mehr die Kriterien gemäss Art. 44 ATSG erfüllen sollte.
3.3. Der Beschwerdeführer bringt weiter vor, das PMEDA-Gutachten sei hinsichtlich des Anspruchs auf orthopädische Serienschuhe als nicht beweistauglich betrachtet worden, weshalb ihm die Beweiskraft per se abgehe. Damit verkennt er jedoch, dass die Frage des Anspruches auf orthopädische Serienschuhe nicht Gegenstand dieses und des vorangegangenen Verfahrens darstellt. Zudem lässt sich keineswegs nach den Gesetzen der Logik vom Anspruch auf orthopädische Serienschuhe auf die Unschlüssigkeit des Gutachtens oder eine rentenrelevante Verschlechterung der Arbeitsfähigkeit schliessen.
3.4. Sodann rügt der Beschwerdeführer, dass sich die Vorinstanz mit seiner Kritik bezüglich Aktenkonsultation und Zitierung von Akten durch die Gutachter nicht befasst habe. Indessen war eine sachgerechte Anfechtung des vorinstanzlichen Entscheids möglich. Daher kann von einer Verletzung des Anspruchs auf rechtliches Gehör keine Rede sein (vgl. <ref-ruling> E. 4.3.2 S. 436 mit Hinweisen). Abgesehen davon wiederholt der Beschwerdeführer in diesem Zusammenhang im Weiteren nur die von ihm bereits vorinstanzlich vorgebrachten Argumente. Das genügt nicht (vgl. Art. 42 Abs. 2 BGG), weshalb darauf nicht weiter einzugehen ist (vgl. Urteile 9C_702/2017 vom 15. Februar 2018 E. 3.3; 9C_585/2016 vom 29. November 2016 E. 3.3 mit Hinweisen).
3.5. Was die Vorbringen betreffend bildgebende oder apparative Untersuchungen und die fachärztlichen Qualifikationen anbelangt, so kommt den Gutachtern sowohl für die Wahl der Untersuchungsmethoden (vgl. Urteil 9C_886/2009 vom 27. April 2010 E. 2.2 mit Hinweisen; bestätigt etwa mit Urteilen 9C_514/2012 vom 5. Oktober 2012 E. 4, 8C_768/2012 vom 24. Januar 2013 E. 3) wie auch für den Beizug weiterer Experten (Urteil 8C_277/2014 vom 30. Januar 2015 E. 5.2) ein weiter Ermessensspielraum zu. Im Übrigen wurde das PMEDA-Gutachten durch Fachärzte für Allgemeine Innere Medizin, für Physikalische Medizin und Rehabilitation resp. für Psychiatrie und Psychotherapie erstellt. Es leuchtet nicht ein, weshalb weitere Fachärzte (für Orthopädie, Radiologie oder Arbeitsmedizin) hätten beigezogen werden müssen, zumal Schmerzen des Bewegungsapparates Gegenstand verschiedener medizinischer Disziplinen bildet (vgl. das den Beschwerdeführer betreffende Urteil 9C_203/2010 vom 21. September 2010 E. 4.1).
3.6. Was die Diagnosestellung betrifft, so kommt es invalidenversicherungsrechtlich in der Regel nicht auf die (genaue) Diagnose an, sondern darauf, welche Auswirkungen eine Krankheit auf die Arbeitsfähigkeit hat (Urteil 9C_634/2015 vom 15. März 2016 E. 6.1). Die PMEDA-Gutachter setzten sich insbesondere auch mit den Hüft- und Kniebeschwerden auseinander, ohne dass sie insgesamt im Vergleich zu den Befunden im Gutachten des Medizinischen Zentrums Römerhof (MZR) vom 23. November 2007 - das der Verfügung vom 23. April 2008 zugrunde lag - eine invalidenversicherungsrechtlich relevante Veränderung des Gesundheitszustandes feststellen konnten. Sodann steht die blosse Behauptung des Beschwerdeführers, dass überwiegend sitzend ausgeübte Tätigkeiten die Einhaltung stereotyper Körperhaltungen voraussetzten und deshalb nicht zumutbar seien, nicht im Zusammenhang mit der Entwicklung des Gesundheitszustandes.
3.7. Die PMEDA-Experten begründeten einleuchtend, weshalb sie u.a. aus den bis zur Begutachtung aktenkundigen Berichten des Dr. med. D._ und der Klinik I._ keine Verschlechterung ableiteten. Entgegen der Darstellung des Versicherten hat sich die Vorinstanz mit den Ausführungen des behandelnden Rheumatologen Dr. med. D._ befasst und nachvollziehbar dargelegt, weshalb sie lediglich von einer im Vergleich zu den PMEDA-Experten unterschiedlichen Beurteilung des (unveränderten) Sachverhalts ausgegangen ist. Weiter hat sie den Bericht der Klinik I._ vom 16. Mai 2017 beachtet und (verbindlich; E. 1.2) festgestellt, dass deren späteren Verlaufsberichten nichts Weiterführendes zu entnehmen sei. Inwiefern die neueren Berichte der Klinik I._ (ab 16. Mai 2017) und die weiteren vom Beschwerdeführer angerufenen Unterlagen der behandelnden Ärzte die Beweiskraft des PMEDA-Gutachtens erschüttern (vgl. dazu Urteil 8C_913/2013 vom 11. April 2014 E. 4.4.3 unter Verweis auf <ref-ruling> E. 3) resp. eine wesentliche Verschlechterung des Gesundheitszustandes und der Arbeitsfähigkeit ausweisen sollen, ist nicht ersichtlich und wird auch nicht substanziiert geltend gemacht. Dass das kantonale Gericht diese Unterlagen nicht ausdrücklich gewürdigt hat, stellt keine Verletzung des Anspruchs auf rechtliches Gehör dar, war doch auch diesbezüglich eine sachgerechte Anfechtung möglich (vgl. E. 3.4).
3.8. Nach dem Gesagten beruhen die vorinstanzlichen Feststellungen in Bezug auf die Entwicklung des Gesundheitszustandes (E. 3.1) nicht auf einer Rechtsverletzung; insbesondere genügt das PMEDA-Gutachten in diesem Zusammenhang den Anforderungen an die Beweiskraft. Sie sind auch nicht offensichtlich unrichtig, weshalb sie für das Bundesgericht verbindlich bleiben (E. 1.2). Im Übrigen stellen die Ausführungen des Versicherten auf weiten Strecken ohnehin unzulässige appellatorische Kritik dar (vgl. E. 1.2.2). Die Beschwerde ist unbegründet.
4.
Dem Ausgang des Verfahrens entsprechend hat der Beschwerdeführer die Kosten zu tragen (Art. 66 Abs. 1 BGG).

Demnach erkennt das Bundesgericht:
1.
Die Beschwerde wird abgewiesen.
2.
Die Gerichtskosten von Fr. 800.- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3.
Dieses Urteil wird den Parteien, dem Sozialversicherungsgericht des Kantons Zürich und dem Bundesamt für Sozialversicherungen schriftlich mitgeteilt.
Luzern, 7. September 2018
Im Namen der II. sozialrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Das präsidierende Mitglied: Meyer
Die Gerichtsschreiberin: Dormann